Onderzoekers van de Amerikaanse Harvard University hebben een nieuw soort microscooplens van metamateriaal gemaakt. Die lens is geschikt voor zichtbaar licht, vergroot 170 x, maar is anders dan de optische microscooplens extreem plat. De lens kan van heel dichtbij scherpe beelden maken.

Sinds de ontdekking van de bijzondere optische eigenschappen van metamateriaal door de Britse onderzoeker John Pendry (‘Mysterie metamateriaal’) zijn onderzoekers naarstig op zoek naar een manier om van dat metamateriaal een bruikbare lens te fabriceren. In theorie kunnen die lenzen heel dicht op het object afbeeldingen maken met behoud van de scherpte. Ze doorbreken de zogeheten diffractie-limiet van gewone optische lenzen, die ervoor zorgt dat die afbeelding onscherp wordt. Dat maakt deze lenzen bijzonder geschikt voor een microscoop.

Tot nu toe waren de geproduceerde metalenzen echter slecht bruikbaar bij 'gewoon' zichtbaar licht omdat het materiaal waarvan ze werden gemaakt, bijvoorbeeld silicium, niet doorzichtig is en te veel licht absorbeert.


Titaniumoxide

De doorbraak die de onderzoekers van de Harvard University bereikten is dat ze deze metalens hebben gemaakt van een materiaal dat wel voldoende doorzichtig is. Zij gebruikten titaniumoxide en bereikten daarmee een doorzichtigheid van maximaal 86%.

De schijnbaar chaotisch geplatste nanovinnen.

Titaniumoxide heeft echter een probleem. Anders dan in silicium zijn uit dat materiaal niet eenvoudig nano-structuren uit te etsen. De Harvard-ingenieurs bedachten daarvoor een oplossing: een elektronenbundel etst in de elektronengevoelige laag het lenspatroon, waarin vervolgens het titaniumoxide wordt gedeponeerd. Het titaniumoxide vult vervolgens het uitgeetste patroon, en daardoor ontstaat een verzameling schijnbaar schots en scheef staande, asymmetrische nanovinnetjes. Diezijn 600 nm hoog, en hun breedte en lengte varieert tussen de 40 en 400 nm. De vinnetjes hebben een brekingsindex die afhankelijk is van de polarisatie en richting van het licht. De totale structuur zorgt voor lenswerking.

De totale structuur van het metamateriaal zorgt voor de lenswerking.

De kwaliteit van de lens overtreft die van een state-of-the-art Nikon CFi60-microscooplens. De spots die de metalens produceert zijn 1,5 x smaller en ook meer symmetrisch.

Links de 500 nm-spot van de metalens, rechts die van de Nikon-lens.

Gewone optische lenzen hebben vooral last van sferische afwijking waardoor licht aan de randen van de lens meer afbuigt dan licht nabij het centrum van de lens. Metalenzen hebben veel minder last van die sferische afwijking.

De Nikon CFi60.

Metalenzen zijn echter niet in alles beter. Ze hebben meer last van chromatische afwijking: het brandpunt is afhankelijk van de kleur van het licht. Om een metalens goed te gebruiken is laserlicht van de gewenste kleur nodig: de metalens werkt optimaal voor de lichtgolflengte waarop die is ontworpen. De metalens die licht gebruikt met een golflengte van 532 nm is in staat gaatjes met een onderlinge afstand van 450 nm heel helder af te beelden.

Met de metalenzen die de Harvard-onderzoekers fabriceerden werd een vergroting van een factor 170 bereikt, wat ze uitermate geschikt maakt voor microscopie met laserlicht. Omdat de lens niet meer is dan een plat schijfje opent die de mogelijkheid voor allerhande draagbare toepassingen.

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.