Физики из университетов Гарварда и Уотерлу создали плоскую линзу из метаматериалов, способную работать во всем видимом диапазоне не хуже, чем традиционная передовая оптика. Разрешение линзы позволяет видеть объекты с размером меньше длины волны света. Максимальное увеличение, достигнутое авторами с помощью одной линзы, составило 168 крат. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Гарвардского университета.

Движение волны света сквозь плоскую линзу из метаматериалов. Capasso Lab

Линзы состоят из массивов вертикальных пластинок, сделанных из оксида титана. Эти пластинки расположены под строго заданными углами друг по отношению к другу — таким образом разработчикам удалось добиться того, что фазовый профиль металинзы совпадает с профилем сферической линзы. Углы поворота пластинок зависят от того, какова длина волны света, проходящего через оптический прибор, поэтому «идеально» линза работает лишь со светом с определенными характеристиками.

Микрофотография металинзы. Capasso Lab

Авторы изготовили три линзы, настроенных на разные длины волн — 660 (красный), 532 (зеленый) и 405 (синий) нанометров. Каждая из них представляет собой кружок диаметром 0,24 миллиметра и с фокусным расстоянием 0,09 миллиметров. Для того, чтобы сравнить их оптические свойства, ученые провели эксперимент, в котором фокусировали лучи лазера разных длин волн с помощью металинз и с помощью объектива 100× Nikon CFI 60. Последний обладал точно такой же числовой апертурой, как и металинзы. Оказалось, что пятно фокусировки для линз из метаматериалов при соответствии длины лазера с длиной, использованной для проектирования, было в полтора раза меньше, чем пятно фокусировки у объектива. 

Затем физики опробовали предложенную концепцию линз для фотосъемки. Это потребовало создания еще одной металинзы диаметром два миллиметра и настроенной на 532 нанометра. С ее помощью авторы фотографировали тестовые таблицы с полосками, расположенными на разном расстоянии друг от друга. Снимки были получены не только для 532 нанометров, но и для других длин волн во всем видимом диапазоне.

Авторы отмечают, что для разных длин волн фокусное расстояние плоской линзы было различным. Так, на номинальной длине волны в 532 нанометра металинза давала увеличение в 138 раз, а при росте длины волны лазера, высвечивающего тестовую таблицу до 620 нанометров увеличение изменялось до 167-кратного. Эта разница в увеличении приводит к возникновению хроматических аберраций, минимизированных у традиционных объективов. 

Фотографии, полученные с помощью металинзы. A — тестовая таблица (530 нм). B, C, D, E — самый меньший из тестовых квадратов, длины волн соответственно 480,530, 590,и 620 нм. F-I — демонстрация хроматических аберраций при освещении таблицы светом с большим диапазоном длин волн, ширина, соответственно, от 10 до 100 нм. J — мишень для сравнения металинзы с традиционным объективом, расстояние между точками 800 нм. K — снимок, полученный с помощью металинзы, L — с помощью объектива. M — разрешение металинзой пятен, находящихся на расстоянии менее длины волны. Mohammadreza Khorasaninejad et al. / Science, 2016

Кроме тестовых мишеней с микронными полосками физики получили снимки объектов меньших длины волны использованного света. Так, с помощью металинз удалось разрешить квадрат из четырех точек, разнесенных на расстояние 450 нанометров — дифракционный предел для линзы составляет немногим более 330 нанометров. 

В будущем авторы надеются решить проблему хроматических аберраций у разработанных линз. Как отмечают ученые, технологии, необходимые для этого уже существуют. 

Метаматериалами называют такие материалы, свойства которых (например, оптические) определяются в большей степени не веществами, из которых они состоят, а периодическими структурами, которые эти вещества образуют. Одним из классических примеров метаматериалов являются среды с отрицательным коэффициентом преломления. Первые примеры таких материалов представляли собой периодические массивы металлических колечек, сплетенных друг с другом. 

Благодаря оптическим метаматериалам возможно создание плоских линз, а также преодоление дифракционного предела. Так, в прошлом году физики из Университета Буффало добились такого результата в видимом оптическом диапазоне.

Автор: Владимир Королёв