Uma lente óptica ultrafina feita de uma monocamada de dichalcogenetos de metal de transição bidimensional (TMDCs) poderia abrir o caminho para dispositivos de imagem de próxima geração. Uma equipe internacional de pesquisadores, liderado pelo Prof. Baohua Jia da Swinburne University of Technology na Austrália, usou gravação a laser de femtossegundo para padronizar nanopartículas em cristais de TMDC. A lente tem uma resolução de subcomprimento de onda e uma eficiência de foco tridimensional de 31%, lançando as bases para dispositivos ópticos para uso em nano-óptica e aplicações fotônicas on-chip.

As lentes são um dos componentes ópticos mais comumente usados ​​na vida diária, incluindo óculos, objetivos microscópicos, lupa, e lentes de câmera. As lentes convencionais são baseadas no princípio da refração da luz, usando materiais diferentes, superfícies esféricas e posições espaciais para conseguir o controle da luz. A fabricação de lentes convencionais, incluindo os processos de seleção de materiais, corte, moagem áspera, moagem fina, polimento, e testes. A fim de minimizar as aberrações, incluindo a aberração cromática, aberração esférica e astigmatismos, é necessário empilhar várias camadas de lentes para formar lentes compostas, levando à complexidade e incômodo do equipamento de câmera atual.

Portanto, um tremendo esforço foi dedicado ao desenvolvimento de lentes planas ultrafinas. Ao contrário das lentes convencionais, lentes planas usam nanoestruturas para modular a luz. Ao controlar as propriedades ópticas e a posição espacial de cada nanoelemento, funções avançadas, como focagem acromática e livre de aberrações, alta resolução espacial e distribuições especiais de intensidade focal podem ser alcançadas. Contudo, quando a espessura do material é reduzida para a escala de sub comprimento de onda, a fase insuficiente ou a modulação de amplitude com base no índice de refração intrínseca e na absorção dos materiais resulta em um desempenho ruim da lente.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo Prof. Baohua Jia no Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology, Austrália, Prof. Qiaoliang Bao, anteriormente na Monash University, O Prof. Chengwei Qiu da National University of Singapore e seus colegas de trabalho desenvolveram um método inovador para fabricar lentes de alto desempenho em material de dichalcogeneto metálico de transição bidimensional de monocamada (TMDC) usando um laser de femtossegundo para padronizar nanopartículas. A lente tem uma resolução de subcomprimento de onda e uma eficiência de foco de 31%, lançando as bases para dispositivos ópticos finos para uso em nano-óptica e aplicações fotônicas on-chip.

Embora as lentes feitas de TMDCs multicamadas tenham sido demonstradas antes, quando sua espessura é reduzida para a escala sub-nanométrica, sua fase insuficiente ou modulação de amplitude resulta em eficiências de foco de menos de 1%. A equipe internacional descobriu que é possível gerar nanopartículas usando um feixe de laser de femtossegundo para interagir com o material de monocamada TMDC, que é significativamente diferente do processo produzido por um laser de onda contínua. Quando o pulso de laser é tão curto que todo o material permanece frio após o processo de laser, as nanopartículas podem se fixar firmemente ao substrato. As nanopartículas apresentam um espalhamento muito forte para modular a amplitude da luz. Portanto, as lentes feitas de nanopartículas podem fornecer resolução de sub-comprimento de onda e alta eficiência, o que permite à equipe demonstrar imagens limitadas por difração usando as lentes.

Uma monocamada é a forma mais fina de um material, que é o limite máximo de espessura física. Ao usar a monocamada para a fabricação de lentes, o processo demonstrado neste estudo consumiu o mínimo de material atendendo à limitação teórica. Mais importante, a técnica de fabricação do laser de femtossegundo é um processo simples de uma etapa, sem os requisitos de alto vácuo ou ambiente especial, portanto, fornece a maneira mais simples de fabricar uma lente plana ultrafina. Como resultado, a lente pode ser facilmente integrada em qualquer dispositivo fotônico ou microfluídico para aplicações amplas.

"Usamos o material mais fino do mundo para fabricar lentes planas, e provar que o bom desempenho da lente ultrafina pode levar a imagens de alta resolução. Mostra um enorme potencial em diferentes aplicações, como óculos, lentes de microscopia, telescópios e lentes de câmeras. É previsível que, usando esta técnica, o peso e o tamanho das lentes da câmera podem ser reduzidos significativamente em um futuro próximo, "disse o Dr. Han Lin, o primeiro autor do Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology.

"Estamos entusiasmados em ver este resultado único de materiais 2-D de processamento de laser de femtossegundo. Isso abre novas possibilidades para a fabricação de dispositivos fotônicos usando um método escalonável, "adicionado pelo Prof. Baohua Jia, Diretor do Centro de Atomateriais Translacionais.

"Podemos integrar a lente de material 2-D de monocamada nos dispositivos desejados simplesmente anexando o material e usando um laser de femtossegundo para realizar a fabricação. Todo o processo é simples, e o método é flexível e de baixo custo. Assim, também vemos o grande potencial de aplicação do método, "comentado pelo Prof. Qiaoliang Bao, anteriormente na Monash University.

"Projetamos nossas lentes de forma que a imagem possa ser encontrada em diferentes planos focais, com diferentes ampliações. Este mecanismo pode ser prontamente usado para desenvolver uma lente de zoom ótico para uso em câmeras de telefones celulares. Atualmente, lentes com diferentes distâncias focais são usadas para alcançar diferentes funções de zoom. Contudo, nossas lentes podem atingir diferentes taxas de zoom simplesmente com um design, "concluiu as previsões do Prof. Chengwei Qiu da Universidade Nacional de Cingapura.