Nieuwe vloeibare kristallen metalens biedt elektrische zoom

Onderzoekers van de School of Applied and Engineering Physics van Cornell University en het Advanced Institute of Technology van Samsung hebben een eerste in zijn soort metalens gemaakt – een lens van metamateriaal – die kan worden scherpgesteld met behulp van spanning in plaats van de componenten mechanisch te verplaatsen.

Het proof of concept opent de deur naar een reeks compacte varifocale lenzen voor mogelijk gebruik in vele beeldvormingstoepassingen zoals satellieten, telescopen en microscopen, die traditioneel licht focussen met behulp van gebogen lenzen die worden aangepast met behulp van mechanische onderdelen. In sommige toepassingen is het verplaatsen van traditionele glazen of plastic lenzen om de brandpuntsafstand te variëren gewoon niet praktisch vanwege ruimte-, gewichts- of grootteoverwegingen.

Metalenses zijn platte arrays van nano-antennes of resonatoren, minder dan een micron dik, die fungeren als focusapparaten. Maar tot nu toe, toen een metalens eenmaal was gefabriceerd, was de brandpuntsafstand moeilijk te veranderen, volgens Melissa Bosch, promovendus en eerste auteur van een paper waarin het onderzoek in het tijdschrift van de American Chemical Society wordt beschreven. Nano-letters.

De innovatie, ontwikkeld in de samenwerking tussen Samsung en Cornell-onderzoekers, omvatte het samenvoegen van een metalens met de gevestigde technologie van vloeibare kristallen om de lokale faserespons van de metalens aan te passen. Hierdoor konden de onderzoekers de focus van de metalens op een gecontroleerde manier variëren door de spanning over het apparaat te variëren.

“Deze combinatie werkte zoals we hadden gehoopt en voorspeld”, zegt Bosch, die werkt in het laboratorium van Gennady Shvets, hoogleraar toegepaste en technische fysica en senior auteur van het artikel. “Het resulteerde in een ultradunne, elektrisch afstembare lens die continu kan zoomen en tot 20% totale brandpuntsafstandverschuiving.”

Samsung-onderzoekers hopen de technologie te ontwikkelen voor gebruik in augmented reality-brillen, aldus Bosch. Ze ziet veel andere mogelijke toepassingen zoals het vervangen van optische lenzen op satellieten, ruimtevaartuigen, drones, nachtkijkers, endoscopen en andere toepassingen waarbij ruimte- en gewichtsbesparing voorop staat.

Maxim Shcherbakov, postdoctoraal medewerker in het Shvets-lab en corresponderende auteur van het artikel, zei dat onderzoekers het afgelopen decennium vooruitgang hebben geboekt bij het combineren van vloeibare kristallen met nanostructuren, maar niemand had dit idee op lenzen toegepast. Nu is de groep van plan om het project voort te zetten en de mogelijkheden van het prototype te verbeteren.

“Bijvoorbeeld,” zei Shcherbakov, “werkt deze lens op een enkele golflengte, rood, maar het zal veel nuttiger zijn als het over het hele kleurenspectrum kan werken – rood, groen, blauw.”

De onderzoeksgroep van Cornell ontwikkelt nu een multi-golflengte varifocale versie van de metalens met behulp van het bestaande platform als uitgangspunt.

“De optimalisatieprocedure voor andere golflengten lijkt erg op die van rood. In sommige opzichten is de moeilijkste stap al voltooid, dus nu is het gewoon een kwestie van voortbouwen op het werk dat al is gedaan”, zei Bosch.