p A luz de cores diferentes viaja em velocidades diferentes em diferentes materiais e estruturas. É por isso que vemos a luz branca dividida em suas cores constituintes após refratar através de um prisma, um fenômeno chamado dispersão. Uma lente comum não consegue focar luz de cores diferentes em um único ponto devido à dispersão. Isso significa que cores diferentes nunca estão em foco ao mesmo tempo, e assim uma imagem formada por uma lente tão simples é inevitavelmente borrada. Os sistemas de imagem convencionais resolvem esse problema empilhando várias lentes, mas essa solução vem com o custo de maior complexidade e peso. p Os pesquisadores da Columbia Engineering criaram a primeira lente plana capaz de focar corretamente uma grande variedade de cores de qualquer polarização para o mesmo ponto focal, sem a necessidade de quaisquer elementos adicionais. Apenas um mícron de espessura, suas lentes revolucionárias "planas" são muito mais finas do que uma folha de papel e oferecem desempenho comparável aos sistemas de lentes compostas de última geração. As descobertas da equipe, liderado por Nanfang Yu, professor associado de física aplicada, são descritos em um novo estudo, publicado hoje por Light:Ciência e Aplicações .

p Uma lente convencional funciona direcionando toda a luz que incide sobre ela por caminhos diferentes, de modo que toda a onda de luz chegue ao ponto focal ao mesmo tempo. Ele é fabricado para fazer isso adicionando uma quantidade crescente de atraso à luz conforme ela vai da borda para o centro da lente. É por isso que uma lente convencional é mais espessa no centro do que na borda.

p Com o objetivo de inventar um diluente, mais leve, e lentes mais baratas, A equipe de Yu teve uma abordagem diferente. Usando sua experiência em "metassuperfícies" ópticas - estruturas bidimensionais projetadas - para controlar a propagação da luz no espaço livre, os pesquisadores construíram lentes planas feitas de pixels, ou "meta-átomos". Cada meta-átomo tem um tamanho que é apenas uma fração do comprimento de onda da luz e retarda a passagem da luz por ele em uma quantidade diferente. Ao padronizar uma camada plana muito fina de nanoestruturas em um substrato tão fino quanto um fio de cabelo humano, os pesquisadores conseguiram atingir a mesma função de um sistema de lentes convencional muito mais espesso e pesado. Olhando para o futuro, eles antecipam que as metolentes podem substituir os sistemas de lentes volumosas, comparável à maneira como as TVs de tela plana substituíram as TVs de tubo de raios catódicos.

p "A beleza de nossas lentes planas é que, ao usar metaátomos de formas complexas, não só fornece a distribuição correta de atraso para uma única cor de luz, mas também para um espectro contínuo de luz, "Yu diz." E porque eles são tão magros, eles têm o potencial de reduzir drasticamente o tamanho e o peso de qualquer instrumento ou dispositivo óptico usado para geração de imagens, como câmeras, microscópios, telescópios, e até mesmo nossos óculos. Pense em um par de óculos com espessura mais fina do que uma folha de papel, câmeras de smartphone que não ficam salientes, remendos finos de sistemas de imagem e detecção para carros sem motorista e drones, e ferramentas miniaturizadas para aplicações de imagens médicas. "

p A equipe de Yu fabricou as meta-lentes usando técnicas de fabricação planar 2-D padrão semelhantes às usadas para fabricar chips de computador. Eles dizem que o processo de fabricação em massa de meta-lentes deve ser bem mais simples do que produzir chips de computador, pois precisam definir apenas uma camada de nanoestruturas - em comparação, chips de computador modernos precisam de várias camadas, alguns até 100. A vantagem das meta-lentes planas é que, ao contrário das lentes convencionais, eles não precisam passar pelos processos caros e demorados de lixamento e polimento.

p "A produção de nossas lentes planas pode ser massivamente paralelizada, produzindo grandes quantidades de lentes de alto desempenho e baratas, "observa Sajan Shrestha, um estudante de doutorado no grupo de Yu que foi o co-autor principal do estudo. "Podemos, portanto, enviar nossos projetos de lentes para fundições de semicondutores para produção em massa e nos beneficiarmos das economias de escala inerentes à indústria."

p Como a lente plana pode focar luz com comprimentos de onda que variam de 1,2 a 1,7 mícron no infravermelho próximo ao mesmo ponto focal, ele pode formar imagens "coloridas" na faixa do infravermelho próximo porque todas as cores estão em foco ao mesmo tempo - essencial para a fotografia colorida. A lente pode focar a luz de qualquer estado de polarização arbitrário, para que funcione não apenas em um ambiente de laboratório, onde a polarização pode ser bem controlada, mas também em aplicativos do mundo real, onde a luz ambiente tem polarização aleatória. Também funciona para luz transmitida, conveniente para integração em um sistema óptico.

p "Nosso algoritmo de design esgota todos os graus de liberdade ao esculpir uma interface em um padrão binário, e, como resultado, nossas lentes planas são capazes de atingir um desempenho próximo ao limite teórico que uma única interface nanoestruturada pode atingir, "Adam Overvig, o outro co-autor do estudo e também aluno de doutorado com Yu, diz. "Na verdade, demonstramos algumas lentes planas com as melhores características combinadas teoricamente possíveis:para um determinado diâmetro de meta-lente, alcançamos o ponto focal mais estreito na maior faixa de comprimento de onda. "

p Adiciona o professor Nader Engheta da Universidade da Pensilvânia, H. Nedwill Ramsey, um especialista em nanofotônica e metamateriais que não esteve envolvido neste estudo:"Este é um trabalho elegante do grupo do professor Nanfang Yu e é um desenvolvimento empolgante no campo da óptica plana. Esta meta-lente acromática, que é o estado da arte em engenharia de metassuperfícies, pode abrir portas para novas inovações em um conjunto diversificado de aplicações envolvendo imagens, de detecção, e tecnologia de câmera compacta. "

p Agora que as meta-lentes construídas por Yu e seus colegas estão se aproximando do desempenho de conjuntos de lentes de imagem de alta qualidade, com peso e tamanho muito menores, a equipe tem outro desafio:melhorar a eficiência das lentes. As lentes planas atualmente não são ideais porque uma pequena fração da potência óptica incidente é refletida pelas lentes planas, ou espalhados em direções indesejadas. A equipe está otimista de que a questão da eficiência não é fundamental, e eles estão ocupados inventando novas estratégias de design para resolver o problema de eficiência. Eles também estão em negociações com a indústria para desenvolver e licenciar a tecnologia.

p O estudo é intitulado "Broadband Achromatic Dielectric Metalenses".