Tarihte ilk kez! Tek bir süper lens, tüm görünür spektrumu aynı noktada odaklar
Kılavuz
Yakın zamanda, Harvard Üniversitesi John Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan bir bilim insanı ekibi, tüm görünür ışık spektrumunu (beyaz ışık dahil) odaklayabilen ilk tek lensi geliştirdi. Bu lens ışığı aynı noktaya odaklayabilir ve başarabilir Yüksek çözünürlük. Geleneksel lenslerde, bu etki yalnızca birden fazla lensin üst üste bindirilmesiyle elde edilebilir.
arka fon
Metamalzemeler olarak da bilinen metamalzemeler, yapay olarak tasarlanmış yapılar tarafından gerçekleştirilen ve doğal malzemelerin sahip olamayacağı olağanüstü fiziksel özelliklere sahip kompozit malzemeleri ifade eder. Örneğin, metamalzemeler ışığı, sesi ve ısı dalgalarını manipüle ederek geleneksel malzemelerin başaramadığı işlevleri elde edebilir. Tipik metamalzemeler şunları içerir: solak malzemeler, fotonik kristaller, süper manyetik malzemeler ve metalik su. Metamalzemelerin sergilediği olağanüstü fiziksel özellikler şunları içerir: negatif geçirgenlik, negatif geçirgenlik, negatif kırılma indisi vb.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Yıkıcı bir ileri teknoloji olarak, metamalzemelerin uygulama alanları şunları içerir: optik fiber, tıbbi ekipman, havacılık, sensörler, altyapı izleme, akıllı güneş yönetimi, radom, radar anteni, akustik gizlilik teknolojisi, atık ısı kullanımı, Terahertz, mikroelektronik, emici malzemeler, holografik teknoloji vb.
2011 yılı civarında, bilim adamları meta yüzeyleri daha fazla incelemeye başladı. Metasurface, belirli bir düzenlemede özel elektromanyetik özelliklere sahip yapay atomlardan oluşan, gelen ışığın genliği, fazı ve polarizasyonunda esnek ayarlamalar yapabilen ve güçlü ışık alanı manipülasyon yeteneklerine sahip iki boyutlu düzlemsel bir yapıdır. Bu nedenle, geniş bir ilgi gördü ve giderek sıcak bir araştırma yönü haline geldi.
Örneğin, ışığın yayılma yönünü kontrol etmek için meta yüzeylerin kullanılması ilginç bir fiziksel fenomen üretecektir: ışık dalgalarının, tıpkı suyun kayaların etrafından akması gibi nesnelerin etrafında dolaştığı inanılmaz "görünmez pelerin etkisi".
(Resim kaynağı: Berkeley Lab)
Metasurayın güçlü ışık alanı manipülasyon yeteneği nedeniyle, aynı zamanda son derece ince bir metamalzemedir, bu nedenle ultra ince düzlemsel metaller (Metaller) haline getirilebilir.
Süper lensi herkesin anlamasını kolaylaştırmak için, sıradan bir dijital kameranın lensiyle başlayalım. Sıradan lensler genellikle ortak bir eksen boyunca düzenlenen bir dizi bağımsız lensten oluşur. Bu kadar çok farklı şekil ve boyuttaki lenslerin kombinasyonunun amacı, sapmaları azaltmak ve görsel kusurlar olmadan eksiksiz ve net bir görüntü oluşturmaktır. Ancak bu, lens lens sayısının artmasına ve lens kalınlığının artmasına neden olur.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Bununla birlikte, bir süper lensin en büyük avantajı hafifliği, inceliği ve minyatürleştirilmesidir ve kalınlığı nanometre ölçeğindedir. Ek olarak, bir süper merceğin işlevi geleneksel bir merceğin çok ötesine geçer.Bir süper mercek bir kameradaki mercek grubunu değiştirebilir ve iki veya üç süper mercek fark edilebilir bir odak uzaklığına sahip bir merceği gerçekleştirebilir. Bu nedenle, süper merceğin, geleneksel optik ekipmanda kullanılan hantal ve hantal mercek setini tamamen bozması ve yerine basit bir düz mercek koyması, cep telefonlarını, kameraları ve gözetim kameralarını bir kağıt parçası kadar bile küçük hale getirmesi bekleniyor.
Örneğin, yazar bir keresinde, Birmingham Üniversitesi ve Kore Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden (KAIST) bilim adamlarıyla işbirliği içinde Kore Temel Bilim Enstitüsü'nün (IBS) Entegre Nanoyapı Fiziği Merkezi'nden bilim adamları tarafından geliştirilen ayarlanabilir işlevlere sahip bir kredi kartı tanıttı. Aynı kalınlığa sahip düz bir süper lens. Grafen ve delikli altın yüzeyden oluşur ve ayarlanabilir genlikli lensler, lazerler (vorteks faz plakaları gibi) ve dinamik holografi gibi bazı gelişmiş uygulamalar için optik bir bileşen olarak kullanılabilir.
(Resim kaynağı: referans [2])
Bununla birlikte, mevcut hiper lenslerin bir kusuru vardır: mükemmel odaklandıkları ışığın spektral aralığı sınırlıdır.
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Harvard Üniversitesi John Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan (SEAS) bir bilim insanı ekibi, tüm görünür ışık spektrumunu (beyaz ışık dahil) odaklayabilen ilk tek lensi geliştirdi. Bu lens ışığı aynı noktaya odaklayabilir ve Yüksek çözünürlük elde edilebilir. Geleneksel lenslerde, bu etki yalnızca birden fazla lensin üst üste bindirilmesiyle elde edilebilir.
(Fotoğraf kredisi: Jared Sisler / Harvard SEAS)
Araştırma sonuçları Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı.
teknoloji
Tüm görünür ışık spektrumunu ve beyaz ışığı (çeşitli renk spektrumundan birleştirilen) odaklamak zorlu bir iştir. Çünkü her dalga boyundaki ışık, metamalzemelerden farklı hızlarda iletilir. Örneğin, kırmızı ışığın camdan geçiş hızı mavi ışıktan daha hızlıdır, bu nedenle iki renkli ışığın aynı konuma ulaşma süresi farklı olacak ve odak farklı olacaktır. Bu bir tür "renk sapmasına" neden olur
Görüntü bozulması olgusu.
Genel olarak konuşursak, kameralar ve optik aletler, renk sapmalarını düzeltmek için farklı kalınlıklardan ve malzemelerden oluşan çok sayıda kavisli lens kullanır ve bu nedenle bu cihazların kalınlığını artırır.
Bununla birlikte, süper lens, geleneksel lensin sahip olmadığı işlevlere sahiptir. Capasso ve ekibi tarafından geliştirilen süper lens, çeşitli dalga boylarındaki ışığı odaklamak ve renkleri ortadan kaldırmak için bir dizi titanyum dioksit nanofin kullanıyor. Önceki çalışmalar nanosheets arasındaki şekli, genişliği, yüksekliği ve mesafeyi optimize ederek, çeşitli dalga boylarındaki ışığın odak uzunluğunun ayarlanabileceğini göstermiştir. Bu son tasarımda, araştırmacılar, farklı dalga boylarındaki ışığın iletim hızını eşzamanlı olarak kontrol etmek için bir çift nanosheet yapısal birim tasarladılar. Nanosheet çifti, metasurttaki kırılma indisini kontrol eder ve bu nano sayfalar, farklı nano-yapraklardan geçen ışığa farklı gecikmeler getirecek şekilde ayarlanır ve çeşitli dalga boylarındaki tüm ışığın aynı anda odak noktasına ulaşmasını sağlar.
Makalenin baş yazarı ve SEAS'ta doktora sonrası araştırmacı olan Wei Ting Chen şunları söyledi: Renk sapmalarını ortadan kaldıran geniş bantlı bir lens tasarlamadaki en büyük zorluklardan biri, metasuradaki farklı noktalardan yayılan farklı dalga boylarındaki ışığın aynı anda odak noktasına ulaşmasını sağlamaktır. Nano sayfalar bir birimde birleştirilir, tüm görünür ışık dalgalarının aynı odakta odaklanmasını sağlamak için tek bir nano lens kullanmak üzere nanoyapılı malzemedeki ışık hızını ayarlayabiliriz.Sentetik standart akromatik lens ile karşılaştırıldığında bu, kalınlığı önemli ölçüde azaltır ve Tasarım karmaşıklığı. "
değer
Araştırmanın kıdemli yazarı, SEAS'ta elektrik mühendisliği alanında kıdemli araştırmacı ve Harvard Üniversitesi'nde uygulamalı fizik profesörü olan Federico Capasso şunları söyledi: "Ultra lenslerin geleneksel lenslere göre avantajları vardır. Ultra lensler hafif ve incedir, üretimi kolaydır ve uygun maliyetlidir. Araştırma sonuçları, bu avantajları tüm görünür ışık spektrumuna genişletiyor. Bu, başka bir büyük gelişme. "
Makalenin ortak yazarı Alexander Zhu, "Akromatik lensler kullanarak yüksek kaliteli beyaz ışık görüntülemesi yapabiliyoruz. Amacımız onları kamera gibi sıradan optik ekipmanlara entegre etmek. Şimdi bu hedefe daha yakınız. adım."
Harvard Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Ofisi (OTD), bu projeyle ilgili fikri mülkiyet için koruma sağladı ve iş fırsatları arıyor.
gelecek
Bir sonraki adımda, araştırmacılar lensin çapını yaklaşık 1 cm'ye genişletmek için çalışacaklar. Bu, sanal gerçeklik (VR) ve artırılmış gerçeklik (AR) cihazları gibi bir dizi yeni uygulamayı açacaktır. Mevcut VR / AR kaskları sıklıkla eleştiriliyor ve deneyimin iyileştirilmesi gerekiyor.Başlıca nedenlerden biri çok ağır olmaları. Süper lensin hafif ve ince olması nedeniyle bu sorunu çözmesi ve sektörde geniş bir ilgi uyandırması bekleniyor.
(Resim kaynağı: Harvard SEAS)
Anahtar kelime
Metamalzemeler, hiperlensler, VR / AR, lens
Referans
[1] https://www.seas.harvard.edu/news/2018/01/single-metalens-focuses-all-colors-of-rainbow-in-one-point
2 Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Anormal Şekilde Kırılan Terahertz Dalgalarının Geçitli Grafen Metasurayları ile Genlik Modülasyonu Gelişmiş Optik Malzemeler, 2017; 1700507 DOI: 10.1002 / adom.201700507
Daha ileri teknolojiler ve yenilikçi ürünler için lütfen WeChat herkese açık hesabını takip edin: IntelligentThings veya yazarın kişisel WeChat ile iletişime geçin: JohnZh1984
