Физики из Гарвардского университета и Университета Уотерлу создали металинзу, фокусное расстояние которой остается постоянным для волн с длинами от 470 до 670 нанометров — практически во всем видимом диапазоне. Для этого они объединяли пластинки из оксида титана в группы по два и подбирали их параметры таким образом, чтобы задержка фазы волн не зависела от их частоты. Статья опубликована в Nature Nanotechnology.

Металинзы состоят из большого числа вертикальных пластинок, имеющих размер порядка длины волны света и искажающих направление и фазу падающего излучения. Выстраивание пластинок в определенном порядке позволяет фокусировать свет, имитируя обычную линзу. С другой стороны, толщина металинзы может достигать всего нескольких сотен нанометров, что значительно меньше толщины обычных линз, использующих преломление света на границе двух сред. Кроме того, с помощью металинз можно преодолеть дифракционный предел, то есть разрешить объекты, размер которых меньше длины волны используемого света (подробнее в нашей новости). Наконец, металинзы значительно легче и дешевле в производстве, чем обычные линзы, что делает их привлекательными для использования в оптических приборах.

Однако металинзы страдают от одного существенного недостатка — они хорошо работают только для узкого диапазона длин волн. Из-за того, что фазовый сдвиг падающего света зависит не только от расположения пластинок, но и от длины волны, фокусное расстояние линзы будет отличаться для излучения разных цветов. В результате в металинзах возникают сильные хроматические аберрации, и это не позволяет заменить ими обычные линзы. Сейчас ученые пытаются решить эту проблему. Так, около года назад группа исследователей из США и Канады сообщила о создании металинзы, фокусное расстояние которой оставалось постоянным для зеленого света с длиной волны от 490 до 550 нанометров.

Jared Sisler / Harvard SEAS

На этот раз группа ученых под руководством Федерико Капассо (Federico Capasso) смогла изготовить металинзу, которая работает одинаково для излучения с длинами волн от 470 до 670 нанометров, то есть покрывает практически весь оптический диапазон. Для этого они заставили эффективный коэффициент преломления наноструктур зависеть от частоты падающего излучения. Они объединили в группы по два пластинки оксида титана TiO2 различной длины, толщины и высоты. В зависимости от соотношения параметров пластинок в группе задержка фазы проходящего через нее света по-разному зависела от длины волны — например, оставалась постоянной.

Изображение металинзы, полученное с помощью сканирующего микроскопа. Размер белого отрезка равен одному микрометру (500 нанометров для вложенного изображения). F. Capasso et. al. / Nature Nanotechnology

Выстраивая в дальнейшем группы специальным образом, физики добились фокусировки излучения. Фокусное расстояние получившейся линзы не зависело от длины волны падающего света, и это позволяло получать четкие картинки не только в монохроматическом излучении лазеров разных цветов, но и в белом свете. 

Изображения, полученные с помощью ахроматической линзы для разных длин волн (a) и белого света (b, c). F. Capasso et. al. / Nature Nanotechnology

Кроме того, чтобы продемонстрировать универсальность предложенного метода, помимо ахроматической линзы исследователи сконструировали линзы, у которых фокусное расстояние было пропорционально первой или второй степени частоты падающего излучения. В этих случаях изображения объектов сильно размывались.

Зависимость фокусного расстояния линзы от длины волны падающего излучения. F. Capasso et. al. / Nature Nanotechnology

Сравнение изображений, полученных с помощью ахроматической линзы (сверху) и линзы, у которой фокусное расстояние пропорционально частоте света. F. Capasso et. al. / Nature Nanotechnology

Ученые считают, что предложенный ими способ создания металинз найдет применение в литографии и микроскопии. Также они планируют создать линзы, которые будут фокусировать электромагнитные волны в других диапазонах частот.

В прошлом году та же группа физиков сообщала о создании металинз, способных работать во всем видимом диапазоне. Тем не менее, эти линзы обладали заметным ахроматизмом: например, одна из них увеличивала изображения на длине волны 532 нанометра в 138 раз, а на длине волны 620 нанометров — в 167 раз. В новой статье ученые справились с этой проблемой.

Автор: Дмитрий Трунин