Плоская линза

Плоская линза — это линза, плоская форма которой позволяет ей обеспечивать изображение без искажений, потенциально с произвольно большими апертурами . [1] Этот термин также используется для обозначения других линз , которые обеспечивают отрицательный показатель преломления . [2] Плоские линзы требуют показателя преломления, близкого к −1 в широком угловом диапазоне. [3] [4] В последние годы были также продемонстрированы плоские линзы, основанные на метаповерхностях . [5]

История

Русский математик Виктор Веселаго предсказал, что материал с одновременно отрицательными электрическими и магнитными поляризационными реакциями будет иметь отрицательный показатель преломления (изотропный показатель преломления −1), «левостороннюю» среду, в которой свет распространяется с противоположными фазовыми и энергетическими скоростями. [3]

Первая плоская линза, работающая в ближнем инфракрасном диапазоне, была анонсирована в 2012 году с использованием наноструктурированных антенн. [2] За ней в 2013 году последовала ультрафиолетовая плоская линза, которая использовала биметаллический сэндвич. [3]

В 2014 году была анонсирована плоская линза, которая объединила композитные метаматериалы и трансформационную оптику . Линза работает в широком диапазоне частот. [6]

Традиционные линзы

Традиционные изогнутые стеклянные линзы могут преломлять свет, идущий со многих углов, чтобы попасть в одну и ту же фокусную точку на фрагменте фотопленки или электронном датчике. Свет, улавливаемый на самых краях изогнутой стеклянной линзы, не выстраивается правильно с остальным светом, создавая размытое изображение на краю кадра. ( Кривизна поля Петцваля и другие аберрации.) Чтобы исправить это, линзы используют дополнительные кусочки стекла, добавляя объем, сложность и массу. [2]

Метаматериалы

Плоские линзы используют метаматериалы , то есть электромагнитные структуры, спроектированные в субволновых масштабах, чтобы вызывать индивидуальные поляризационные реакции. [3]

Левосторонние ответы обычно реализуются с использованием резонансных метаматериалов, состоящих из периодических массивов элементарных ячеек, содержащих индуктивно-емкостные резонаторы и проводящие провода. Отрицательные показатели преломления, которые являются изотропными в двух и трех измерениях на микроволновых частотах, были достигнуты в резонансных метаматериалах с сантиметровыми характеристиками. [3]

Метаматериалы могут отображать инфракрасные, видимые и, совсем недавно, ультрафиолетовые длины волн. [3]

Типы

Оксид графена

С развитием технологий микро- и нанопроизводства потребовалась постоянная миниатюризация обычных оптических линз для таких приложений, как связь, датчики и хранение данных. В частности, требуются более мелкие и тонкие микролинзы для субволновой оптики или нанооптики с малыми структурами для видимого и ближнего ИК-приложений. По мере сокращения масштаба расстояний для оптической связи уменьшаются и требуемые размеры микролинз.

Оксид графена обеспечивает решения для усовершенствования планарных фокусирующих устройств. Гигантские изменения показателя преломления (до 10^-1 или на порядок больше, чем у более ранних материалов) между оксидом графена (GO) и восстановленным оксидом графена (rGO) были продемонстрированы путем манипулирования его содержанием кислорода с использованием метода прямой лазерной записи (DLW). Общая толщина линзы потенциально может быть уменьшена более чем в десять раз. Кроме того, линейное оптическое поглощение GO увеличивается по мере углубления восстановления GO, что приводит к контрасту пропускания между GO и rGO и, следовательно, обеспечивает механизм амплитудной модуляции . Более того, как показатель преломления , так и оптическое поглощение не имеют дисперсии в диапазоне длин волн от видимого до ближнего инфракрасного. Пленка GO обеспечивает гибкую возможность создания рисунка с использованием метода DLW без маски, что снижает сложность производства.

Новая сверхтонкая планарная линза на тонкой пленке GO использовала метод DLW. [7] Его преимущество заключается в том, что фазовая модуляция и амплитудная модуляция могут быть достигнуты одновременно, что объясняется гигантской модуляцией показателя преломления и переменным линейным оптическим поглощением GO во время процесса его восстановления соответственно. Благодаря улучшенной способности формирования волнового фронта толщина линзы имеет субволновой масштаб (~200 нм), что тоньше, чем у диэлектрических линз (~ мкм). Интенсивность фокусировки и фокусное расстояние можно эффективно контролировать, изменяя мощность лазера и размер линзы соответственно. Используя объектив с высокой числовой апертурой (NA) с масляной иммерсией во время процесса DLW, был реализован размер элемента изготовления 300 нм на пленке GO, и, следовательно, минимальный размер линзы достиг 4,6 мкм в диаметре, самой маленькой планарной микролинзы. Это может быть реализовано только с помощью метаповерхности с помощью FIB. [ необходимо разъяснение ] После этого фокусное расстояние может быть уменьшено до 0,8 мкм, что потенциально увеличит числовую апертуру и разрешение фокусировки.

Экспериментально продемонстрирована полная ширина на полувысоте (FWHM) 320 нм в минимальном фокусном пятне с использованием входного луча 650 нм, что соответствует эффективной числовой апертуре 1,24 (n=1,5). Кроме того, с помощью этой планарной линзы была реализована возможность сверхширокополосной фокусировки от 500 нм до 2 мкм.

Наноантенны

Первая плоская линза использовала тонкую пластину кремния толщиной 60 нанометров, покрытую концентрическими кольцами V-образных золотых наноантенн для получения фотографических изображений. Антенны преломляют свет так, что он весь попадает в одну фокальную плоскость, так называемый процесс искусственной рефракции. Антенны были окружены непрозрачной серебряно-титановой маской, которая отражала весь свет, который не попадал на антенны. Изменение длины плеч и угла обеспечивало требуемый диапазон амплитуд и фаз. Распределение колец контролирует фокусное расстояние. [4] [8]

Угол преломления — больше по краям, чем в середине — контролируется формой, размером и ориентацией антенн. Он может фокусировать только одну длину волны ближнего инфракрасного [8] диапазона . [2]

Наноантенны вводят радиальное распределение фазовых разрывов, тем самым генерируя соответственно сферические волновые фронты и недифрагирующие пучки Бесселя . Моделирование показывает, что такие конструкции без аберраций применимы к линзам с высокой числовой апертурой, таким как плоские объективы микроскопов. [4]

В 2015 году усовершенствованная версия использовала ахроматическую метаповерхность для фокусировки различных длин волн света в одной точке, используя диэлектрический материал вместо металла. Это повышает эффективность и может производить постоянный эффект, фокусируя красные, синие и зеленые длины волн в одной точке для достижения мгновенной коррекции цвета, что дает цветное изображение. Эта линза не страдает от хроматических аберраций или цветной окантовки, которые мешают рефракционным линзам. Таким образом, она не требует дополнительных линзовых элементов, традиционно используемых для компенсации этой хроматической дисперсии. [9]

Биметаллический сэндвич

Биметаллическая плоская линза сделана из сэндвича из чередующихся слоев серебра и диоксида титана толщиной в нанометр . Она состоит из стопки сильно связанных плазмонных волноводов, поддерживающих обратные волны. Она демонстрирует отрицательный показатель преломления независимо от угла движения входящего света. Волноводы дают всенаправленный левосторонний отклик для поперечной магнитной поляризации. Передача через метаматериал может быть включена и выключена с использованием света более высокой частоты в качестве переключателя, что позволяет линзе действовать как затвор без подвижных частей. [10]

Мембрана

Мембранная оптика использует пластик вместо стекла для дифракции, а не преломления или отражения света. Концентрические микроскопические канавки, вытравленные в пластике, обеспечивают дифракцию . [11]

Стекло пропускает свет с эффективностью 90%, тогда как эффективность мембраны составляет 30-55%. Толщина мембраны примерно равна толщине пластиковой пленки. [11]

Голографические линзы

Голографические линзы изготавливаются из голограммы обычной линзы. [12] Она плоская и имеет все недостатки исходной линзы (аберрации), а также недостатки голограммы (дифракция).

Голограмма математической линзы [ требуется пояснение ] плоская и обладает свойствами математической линзы, но имеет недостатки голограммы (дифракция).

Геометрически-фазовые линзы

Геометрические фазовые линзы, также известные как поляризационно-направленные плоские линзы, изготавливаются путем нанесения жидкокристаллического полимера в шаблон для создания «голографически записанного профиля волнового фронта». Они демонстрируют положительное фокусное расстояние для циркулярно поляризованного света одного направления и отрицательное фокусное расстояние для циркулярно поляризованного света одного направления. [13] [14]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Xu, Ting; Agrawal, Amit; Abashin, Maxim; Chau, Kenneth J.; Lezec, Henri J. (2013-05-23). ​​"Создана плоская напыляемая оптическая линза" . Nature . 497 (7450). Sciencedaily.com: 470– 474. Bibcode : 2013Natur.497..470X. doi : 10.1038/nature12158. PMID  23698446. S2CID  4402046. Получено 2013-10-20 .
  2. ^ abcd Шиллер, Якоб. «Новый плоский объектив может произвести революцию в камерах, какими мы их знаем | Raw File». Wired . Wired.com . Получено 01.09.2012 .
  3. ^ abcdef Xu, T.; Agrawal, A.; Abashin, M.; Chau, KJ; Lezec, HJ (2013). «Отрицательное преломление под всеми углами и активное плоское линзирование ультрафиолетового света». Nature . 497 (7450): 470– 474. Bibcode :2013Natur.497..470X. doi :10.1038/nature12158. PMID  23698446. S2CID  4402046.
  4. ^ abc Aieta, F.; Genevet, P.; Kats, MA; Yu, N.; Blanchard, R.; Gaburro, Z.; Capasso, F. (2012). «Безаберрационные ультратонкие плоские линзы и аксиконы на длинах волн телекоммуникаций на основе плазмонных метаповерхностей». Nano Letters . 12 (9): 4932– 4936. arXiv : 1207.2194 . Bibcode : 2012NanoL..12.4932A. doi : 10.1021/nl302516v. PMID  22894542. S2CID  5412108.
  5. ^ Юй, Нанфан; Капассо, Федерико (2014). «Плоская оптика с дизайнерскими метаповерхностями». Nat. Mater . 13 (2): 139– 150. Bibcode : 2014NatMa..13..139Y. doi : 10.1038/nmat3839. PMID  24452357.
  6. ^ Зонди, Дэвид (21 апреля 2014 г.). «BAE Systems разрабатывает плоскую линзу, которая действует так, как будто она изогнута». Gizmag.com.
  7. ^ Чжэн, Сяоруй; Цзя, Баохуа ; Линь, Хань; Цю, Лин; Ли, Дан; Гу, Минь (2015). «Высокоэффективные и сверхширокополосные сверхтонкие линзы из оксида графена с трехмерной субволновой фокусировкой». Nature Communications . 6 : 8433. Bibcode : 2015NatCo...6.8433Z. doi : 10.1038/ncomms9433. PMC 4595752. PMID  26391504. 
  8. ^ ab "Легкая, неискажающая плоская линза использует антенны, а не стекло, для фокусировки света". Harvard Magazine. Январь 2013 г. Получено 20 октября 2013 г.
  9. ↑ Крисп, Саймон (23 февраля 2015 г.). «Исследователи разработали ультратонкую плоскую линзу для идеальной цветопередачи». Gizmag . Получено 28 февраля 2015 г.
  10. ^ Сюй, Тин; Агравал, Амит; Абашин, Максим; Чау, Кеннет Дж.; Лезек, Анри Дж. (2013). «Отрицательное преломление под любым углом и активное плоское линзирование ультрафиолетового света». Nature . 497 (7450): 470. Bibcode :2013Natur.497..470X. doi :10.1038/nature12158. PMID  23698446. S2CID  4402046.
  11. ^ ab "DARPA разрабатывает гигантский складной космический телескоп". Gizmag.com. 9 декабря 2013 г. Получено 10 декабря 2013 г.
  12. ^ Рабек, Ян Ф.; Фуасье, Жан-Пьер (30 ноября 1989 г.). Лазеры в полимерной науке и технологии. CRC Press. стр. 205–. ISBN 978-0-8493-4846-4.
  13. ^ Плоские линзы с поляризацией. Edmundoptics.com. Получено 28.03.2017.
  14. ^ Ким, Джихван; Ли, Янминг; Мискевич, Мэтью Н.; О, Чулву; Куденов, Майкл В.; Эскути, Майкл Дж. (2015). «Изготовление идеальных геометрически-фазовых голограмм с произвольными волновыми фронтами» (PDF) . Optica . 2 (11): 958. Bibcode :2015Optic...2..958K. doi : 10.1364/OPTICA.2.000958 .
  • Безаберрационные сверхтонкие плоские линзы и аксиконы на телекоммуникационных длинах волн на основе плазмонных метаповерхностей (полный текст)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Flat_lens&oldid=1223438341"