Estruturas multicamadas impressas em 3D para lentes acromáticas de alta abertura numérica
Desempenho acromático de diferentes lentes simples e lentes multicamadas. (A) Esquema dos metalens acromáticos multicamadas impressos em 3D (MAM). (B) Esquema de lentes ópticas tradicionais e planas [incluindo lentes Fresnel, lentes difrativas multiníveis (MDL) e metalens] com camadas únicas e multicamadas. (C) Evolução de pontos focais em comprimentos de onda de 400, 533 e 800 nm quando camadas adicionais são adicionadas (os resultados são de um design otimizado de três camadas de 0,5-NA MAM). (D) As eficiências, aberturas numéricas e larguras de banda (funcionam na banda visível) de vários metalenses acromáticos. A barra colorida e o tamanho do marcador representam o valor ou mérito definido como a raiz quadrada da soma dos quadrados de eficiência, NA e largura de banda. Os planos cinza indicam limites anteriores em largura de banda =300 nm e NA =0,35. Os valores NA de cada metaleno estão ilustrados na legenda. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj9262 A óptica plana é feita de nanoestruturas contendo materiais de alto índice de refração para produzir lentes com formatos finos que funcionam apenas em comprimentos de onda específicos.
Cientistas de materiais tentaram recentemente obter lentes acromáticas para descobrir uma compensação entre a abertura numérica e a largura de banda que limita o desempenho de tais materiais. Neste trabalho, Cheng-Feng Pan e uma equipe de cientistas em desenvolvimento de produtos de engenharia, tecnologia da informação e engenharia da computação em Cingapura e na China propuseram uma nova abordagem para projetar metalenses acromáticos multicamadas de alta abertura numérica, banda larga e insensíveis à polarização.
Os cientistas de materiais combinaram otimização topológica e simulações de comprimento de onda total para projetar inversamente os metalenses usando litografia de dois fótons. A equipe de pesquisa demonstrou o desempenho de imagem em banda larga das estruturas projetadas sob luz branca e iluminações de banda estreita vermelha, verde e azul.
Os resultados destacaram a capacidade das estruturas multicamadas impressas em 3D de realizar metadispositivos multifuncionais e de banda larga. Os resultados agora são publicados em Science Advances e aparecem na capa da revista.
Desempenho de imagem
O progresso recente em metalenses em micro e macro escala mostrou importância para alcançar um desempenho de imagem notável, adequado para uma variedade de aplicações em imagens de campo de luz, bioanálise, medicina e tecnologias quânticas. Por exemplo, lentes acromáticas mostram respostas de banda larga para capturar informações de cores, para expandir as possibilidades de design e cenários de aplicação para dispositivos fotônicos.
Essas construções são ultracompactas, ultrafinas, leves e adequadas para produzir metalenses atraentes para sistemas de imagem. A maioria dos metalenses são, no entanto, padronizados em materiais de alto índice de refração para fornecer um bom controle óptico, com uma luz forte que torna a implementação da banda larga um desafio.
Os físicos mostraram o número de Abbe como uma figura de mérito no design de lentes para representar um material transparente livre de dispersão comumente usado para materiais de alto índice de refração e como uma fórmula para realizar uma lente de foco de alta eficiência. Otimização topológica do MAM com diferentes números de camadas e distâncias de espaçamento. (A) Modelo de projeto e esquemático da região de otimização com parâmetros indicados descritos no texto. (B) Relações da intensidade normalizada com o número de camadas e distância de espaçamento. Com o design inverso, o melhor caso está localizado em [l, sp] =[3, 1,6 μm]. (C) Esquema das aproximações de arredondamento de arestas e suavidade de superfície em diferentes níveis, projeto inicial (i), nível 1 por arredondamento do topo (ii). O nível 2 é gerado pela aplicação de interpolação de tolerância relativa de 10 nm ao vetor de altura de origem (iii), e o nível 3 é gerado pela aplicação de interpolação relativa de 25 nm (iv). (D) FWHM calculado (i), eficiência (ii) e posição de intensidade focal máxima ao longo do eixo de propagação (iii) para diferentes níveis. A eficiência (ii) é calculada no plano focal correspondente à intensidade focal máxima. (E) Imagens SEM de vista inclinada do MAM fabricado com 0,5 NA:(i) MAM desconstruído mostrando camadas simples, duplas e triplas (completas); (ii) visão ampliada do MAM completo; (iii) vista superior e tamanho do MAM; e (iv e v) MAM seccionado revelando estrutura interna e detalhes das estruturas em anel de 200 nm de largura. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj9262 O método de impressão 3D
A equipe de pesquisa superou os desafios de fabricação subjacentes às metalenses acromáticas multicamadas usando impressão tridimensional. O método de impressão 3D em nanoescala permitiu a padronização de uma lente multicamadas em uma etapa litográfica para prototipar rapidamente estruturas complexas. Usando a polimerização de dois fótons, os cientistas realizaram uma variedade de designs 3D, incluindo microlentes complexas, lentes de índice gradiente e lentes difrativas.
Neste trabalho, Pan e colegas usaram otimização topológica para obter comportamento de lente acromática. Eles alcançaram rapidamente uma estrutura estável, multicamadas e de alta resolução.
As metalenses acromáticas multicamadas resultantes mostraram níveis até então desconhecidos de desempenho eficiente para integrar as vantagens da impressão 3D de alta resolução em nanoescala para criar metalenses com desempenho excepcional para inspirar um novo paradigma para projetar e fabricar elementos e dispositivos ópticos multifuncionais de banda larga.
Projetando metalenses acromáticas multicamadas e os resultados experimentais
Eficiência de foco e desempenho de imagem do MAM. (A) Comparação do experimento e eficiências simuladas de focagem de banda larga para MAMs com NA de 0,5 e 0,7 no mesmo plano focal definido por NA. (B) Comparação do experimento e FWHM de banda larga simulado para MAMs com NA de 0,5 e 0,7 no mesmo plano focal definido por NA. (C) Imagens ópticas do número "3" no grupo 6 elemento 3 no alvo de resolução USAF 1951 capturadas através do 0,5-NA MAM sob luz branca e aplicadas em azul (450 nm), verde (532 nm) e vermelho (633 nm) filtros. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj9262 A principal diferença entre metalens multinível e lentes difrativas multinível é o tamanho do menor recurso.
Por exemplo, embora o tamanho mínimo do recurso possa ser projetado para se adequar a uma dimensão específica, são necessárias simulações de onda completa para levar em conta as interações e a dispersão entre camadas. Usando etapas de filtragem e binarização, os pesquisadores transformaram a estrutura projetada em uma construção real.
A equipe submeteu as amostras à otimização topológica e as formou usando o sistema de impressão 3D profissional fotônico Nanoscale GmbH, com um feixe focalizado galvo-escaneado para induzir a reticulação de uma resina líquida em um voxel sólido em nanoescala no ponto focal.
Os cientistas otimizaram o método de fabricação para obter um protótipo próximo do design normal e avaliaram a qualidade da imagem do produto colocando-o em um alvo de resolução com uma distância de espaçamento três vezes maior que a distância focal das objetivas.
As metalens projetadas tiveram um bom desempenho sob luz branca para aplicações de imagens acromáticas para mostrar a capacidade incomparável das metalens de remover aberrações cromáticas. Os cientistas otimizaram os parâmetros para mostrar como as metalenses acromáticas multicamadas mostraram alta eficiência de foco com desempenho de banda larga e otimização topológica para realizar com precisão as metalenses projetadas com características em nanoescala.
Perspectiva
Desta forma, Cheng-Feng Pan e a equipe de pesquisa desenvolveram um sistema metalens multicamadas e consideraram cada camada como um corretor acromático e um elemento de foco. Os resultados mostraram como as metassuperfícies empilhadas baseadas em materiais de baixo índice de refração superaram os limites da óptica plana de camada única para estender o desempenho das metalenses em funções de banda larga, preservando a alta abertura numérica.
O uso de métodos de impressão 3D de maior resolução e resinas de alto índice de refração contribuirão para um sistema óptico multifuncional aumentado que funciona com uma faixa de resposta de banda larga além da faixa visível para conter uma faixa infravermelha próxima ou média.
Mais informações: Cheng-Feng Pan et al, estruturas multicamadas impressas em 3D para metalenses acromáticos de alta abertura numérica, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj9262 Ren Jie Lin et al, Matriz de metalens acromáticos para imagens coloridas de campo de luz, Nanotecnologia da Natureza (2019). DOI:10.1038/s41565-018-0347-0
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza , Avanços da ciência
