Инженеры Массачусетского технологического института создали настраиваемую металинзу, которая может фокусироваться на объектах на разной глубине без изменения ее физического положения или формы. Линза сделана не из сплошного стекла, а из прозрачного материала, изменяющего фазу, который после нагревания может перестраивать свою атомную структуру и тем самым изменить способ взаимодействия материала со светом.

Полированное стекло на протяжении веков было в центре систем обработки изображений. Их точная кривизна позволяет линзам фокусировать свет и создавать четкие изображения независимо от того, является ли объект в поле зрения отдельной ячейкой, страницей книги или даже далекой галактикой. Изменение фокуса, чтобы четко видеть во всех этих масштабах, обычно требует физического перемещения линзы путем наклона, скольжения или иного перемещения, обычно с помощью механических деталей, которые составляют большую часть микроскопов и телескопов.

Исследователи выгравировали поверхность материала крошечными структурами с точным рисунком, которые работают вместе как метаповерхность, уникальным образом преломляя или отражая свет. При изменении свойств материала соответственно изменяется и оптическая функция метаповерхности. В этом случае, когда материал имеет комнатную температуру, метаповерхность фокусирует свет для создания четкого изображения объекта на определенном расстоянии. После нагрева материала его атомная структура изменяется, и в ответ метаповерхность перенаправляет свет, чтобы сфокусироваться на более удаленном объекте.

Таким образом, новая активная металинза может настраивать фокус без необходимости использования громоздких механических элементов. Новый дизайн, который в настоящее время позволяет получать изображения в инфракрасном диапазоне, может позволить использовать более гибкие оптические устройства, такие как миниатюрные тепловизоры для дронов, сверхкомпактные тепловизионные камеры для мобильных телефонов и низкопрофильные очки ночного видения.

«Наш результат показывает, что наша ультратонкая перестраиваемая линза без движущихся частей может обеспечивать безаберрационное изображение перекрывающихся объектов, расположенных на разной глубине, конкурируя с традиционными громоздкими оптическими системами», – Тиан Гу, научный сотрудник лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института.

Новая линза сделана из материала с изменяющейся фазой, который команда изготовила путем настройки материала, обычно используемого в перезаписываемых компакт-дисках и DVD. Названная GST, она состоит из германия, сурьмы и теллура, и ее внутренняя структура изменяется при нагревании с помощью лазерных импульсов. Это позволяет материалу переключаться между прозрачным и непрозрачным состояниями — это механизм, который позволяет записывать, стирать и перезаписывать данные, хранящиеся на компакт-дисках.

Ранее в этом году исследователи сообщили о добавлении в GST еще одного элемента — селена — для создания нового материала с изменяющейся фазой, названного GSST. Когда они нагревали новый материал, его атомная структура перешла от аморфного, беспорядочного клубка атомов к более упорядоченной кристаллической структуре. Этот сдвиг фазы также изменил способ прохождения инфракрасного света через материал, влияя на преломляющую способность, но с минимальным влиянием на прозрачность.

Команда задалась вопросом, можно ли настроить коммутационную способность GSST для направления и фокусировки света в определенных точках в зависимости от его фазы. В этом случае материал может служить активной линзой без необходимости в механических частях для смещения его фокуса.

«В общем, когда делают оптическое устройство, очень сложно настроить его характеристики после изготовления. Вот почему наличие такой платформы — это святой Грааль для инженеров-оптиков, который позволяет металинзам эффективно переключать фокус в большом диапазоне», – Тиан Гу, научный сотрудник лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института.

В обычных линзах стекло точно изогнуто, так что падающий луч света преломляется от линзы под разными углами, сходясь в точке на определенном расстоянии, известной как фокусное расстояние линзы. Затем линзы могут создавать четкое изображение любых объектов на определенном расстоянии. Для изображения объектов с разной глубиной линзу необходимо физически перемещать.

Вместо того, чтобы полагаться на фиксированную кривизну материала для прямого света, исследователи попытались изменить металинзу на основе GSST таким образом, чтобы фокусное расстояние изменялось в зависимости от фазы материала. В своем новом исследовании они изготовили слой GSST толщиной 1 микрон и создали метаповерхность путем травления слоя GSST на микроскопические структуры различной формы, которые по-разному преломляют свет.

Они протестировали новую металинзу, поместив ее на сцену и осветив лазерным лучом, настроенным на инфракрасный диапазон света. На определенных расстояниях перед линзой они размещали прозрачные объекты, состоящие из двухсторонних узоров из горизонтальных и вертикальных полос, известных как диаграммы разрешения, которые обычно используются для тестирования оптических систем.

Линза в исходном аморфном состоянии давала резкое изображение первого узора. Затем группа нагревает линзу, чтобы преобразовать материал в кристаллическую фазу. После перехода и с удаленным источником нагрева линза давала столь же резкое изображение, на этот раз второго, более дальнего набора полос.

Эксперименты показывают, что металинза может активно менять фокус без каких-либо механических движений. Исследователи говорят, что металинзу потенциально можно изготовить со встроенными микронагревателями для быстрого нагрева материала короткими миллисекундными импульсами. Изменяя условия нагрева, они также могут настраиваться на промежуточные состояния других материалов, обеспечивая непрерывную настройку фокуса.