“Metalens” Baru Menggerakkan Fokus Tanpa Gerakan – Memungkinkan Lensa Zoom Miniatur untuk Drone, Ponsel, atau Kacamata Night Vision

Logam baru yang diproduksi oleh MIT mengubah fokus tanpa memiringkan, menggeser, atau bergerak. Konsep tersebut dapat mengaktifkan lensa zoom miniatur untuk drone, ponsel, atau kacamata night vision. Kredit: Atas kebaikan para peneliti

Kaca yang dipoles telah menjadi pusat sistem pencitraan selama berabad-abad. Kelengkungannya yang tepat memungkinkan lensa untuk memfokuskan cahaya dan menghasilkan gambar yang tajam, baik objek yang dilihat adalah sel tunggal, halaman buku, atau galaksi yang jauh.

Mengubah fokus untuk melihat dengan jelas pada semua skala ini biasanya memerlukan pergerakan lensa secara fisik, memiringkan, menggeser, atau menggerakkan lensa, biasanya dengan bantuan bagian mekanis yang menambah massa mikroskop dan teleskop.

Sekarang Dengan insinyur telah membuat “metalens” merdu yang dapat fokus pada objek di berbagai kedalaman, tanpa mengubah posisi fisik atau bentuknya. Lensa ini tidak terbuat dari kaca padat tetapi dari bahan transparan “pengubah fase” yang, setelah pemanasan, dapat mengatur ulang struktur atomnya dan dengan demikian mengubah cara bahan berinteraksi dengan cahaya.

Peneliti telah mengukir permukaan bahan dengan struktur kecil, dengan motif yang tepat, yang bekerja sama sebagai “permukaan metas” untuk membiaskan atau memantulkan cahaya dengan cara yang unik. Ketika properti material berubah, fungsi optik permukaan metas akan bervariasi. Dalam hal ini, ketika material berada pada suhu kamar, metasurface memfokuskan cahaya untuk menghasilkan gambar yang tajam dari suatu objek pada jarak tertentu. Setelah material dipanaskan, struktur atomnya berubah, dan sebagai tanggapan, permukaan metasurvei mengarahkan cahaya untuk fokus pada objek yang lebih jauh.

Dengan cara ini, “metalens” aktif yang baru dapat menyetel fokus mereka tanpa memerlukan elemen mekanis yang rumit. Konsep baru, yang saat ini memiliki gambar dalam pita inframerah, dapat mengaktifkan perangkat optik yang lebih gesit, seperti miniatur target panas untuk drone, kamera termal ultra-ringkas untuk ponsel, dan kacamata penglihatan malam profil rendah.

“Hasil kami menunjukkan bahwa lensa sintetis ultra tipis kami, tanpa bagian yang bergerak, dapat mencapai pencitraan menyimpang dari objek yang tumpang tindih yang ditempatkan pada kedalaman yang berbeda, menyaingi sistem optik tradisional yang rumit,” kata Tian Gu, ilmuwan riset di MIT Material Research Laboratory.

Gu dan koleganya mempublikasikan hasil mereka hari ini di jurnal Komunikasi Alam. Rekan penulisnya termasuk Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du dan Anuradha Agarwal di MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou, dan Christopher Roberts dari Laboratorium MIT Lincoln; dan kolaborator di Universitas Massachusetts di Lowell, Universitas Florida Tengah, dan Lockheed Martin Corporation.

Perubahan material

Lensa baru ini terbuat dari bahan yang mengubah fase yang telah dibuat tim dengan menambahkan bahan yang biasa digunakan ke CD dan DVD yang dapat ditulis ulang. Disebut GST, ia terdiri dari germanium, antimon dan telurium, dan struktur internalnya berubah saat dipanaskan dengan pulsa laser. Hal ini memungkinkan materi untuk beralih antara status transparan dan buram – mekanisme yang memungkinkan data yang disimpan di CD untuk ditulis, dihapus, dan ditulis ulang.

Awal tahun ini, para peneliti melaporkan bahwa mereka menambahkan elemen lain, selenium, ke GST untuk membuat material pengubah fase baru: GSST. Ketika mereka memanaskan materi baru, struktur atomnya berubah dari atom acak yang tidak berbentuk dan acak menjadi struktur kristal yang lebih teratur. Pergeseran fase ini juga mengubah cara cahaya infra merah bergerak melalui material, mempengaruhi daya bias tetapi dengan dampak minimal pada transparansi.

Tim bertanya-tanya apakah kemampuan pengalihan GSST dapat disesuaikan untuk mengarahkan dan memfokuskan cahaya pada titik-titik tertentu sesuai dengan fase-nya. Bahan tersebut kemudian dapat berfungsi sebagai lensa aktif, tanpa perlu bagian mekanis untuk mengubah fokusnya.

“Secara umum saat membuat perangkat optik, sangat menantang untuk menyesuaikan fitur pasca-produksi,” kata Shalaginov. “Itulah mengapa memiliki platform semacam ini seperti cawan suci bagi para insinyur optik, yang memungkinkan [the metalens] untuk mengubah fokus secara efektif dan dalam jangkauan yang luas. “

Di kursi panas

Pada lensa konvensional, kaca dilengkungkan secara presisi sehingga berkas cahaya yang masuk dipantulkan dari lensa pada berbagai sudut, berkumpul pada titik pada jarak tertentu, yang dikenal sebagai panjang fokus lensa. Lensa kemudian dapat menghasilkan gambar yang jelas dari objek apa pun pada jarak tertentu. Untuk membayangkan objek pada kedalaman yang berbeda, lensa harus digerakkan secara fisik.

Alih-alih mengandalkan kelengkungan tetap dari suatu material untuk cahaya langsung, para peneliti berusaha untuk memodifikasi logam berbasis GSST dengan cara yang panjang fokusnya berubah dengan fase material.

Dalam studi baru mereka, mereka membuat lapisan GSST 1-mikron dan menciptakan “permukaan metas” dengan menempelkan lapisan GSST ke struktur mikroskopis dari berbagai bentuk yang membiaskan cahaya dengan cara yang berbeda.

“Ini adalah proses yang canggih untuk membangun metasurface yang beralih di antara berbagai fitur, dan membutuhkan rekayasa yang cermat tentang jenis bentuk dan model yang akan digunakan,” kata Gu. “Dengan mengetahui bagaimana material akan berperilaku, kita dapat membayangkan pola tertentu yang akan fokus pada satu titik dalam keadaan amorf, dan berubah pada titik lain dalam fase kristal.”

Mereka menguji metalens baru dengan menempatkannya di atas panggung dan menerangi dengan sinar laser yang disetel ke pita cahaya inframerah. Pada jarak tertentu di depan lensa, mereka menempatkan objek transparan yang terdiri dari model dua sisi batang horizontal dan vertikal, yang dikenal sebagai grafik resolusi, yang biasanya digunakan untuk menguji sistem optik.

Lensa, pada awalnya, keadaan amorf, menghasilkan gambar model pertama yang jelas. Selanjutnya, tim memanaskan lensa untuk mengubah material menjadi fase kristal. Setelah transisi, dan dengan sumber pemanas dilepas, lensa menghasilkan gambar yang sama bersihnya, kali ini dari rangkaian bilah kedua yang semakin jauh.

“Kami menampilkan gambar pada dua kedalaman yang berbeda, tanpa gerakan mekanis,” kata Shalaginov.

Eksperimen menunjukkan bahwa metalens dapat secara aktif mengubah api tanpa adanya gerakan mekanis. Para peneliti mengatakan metalens berpotensi dibuat dengan pemanas mikro terintegrasi untuk memanaskan material dengan cepat dengan pulsa milidetik pendek. Dengan memvariasikan kondisi pemanasan, mereka juga dapat menyesuaikan keadaan antara material lain, memungkinkan penyetelan fokus yang berkelanjutan.

“Ini seperti memasak steak – dimulai dari steak mentah, dan bisa matang sepenuhnya, atau bisa jadi setengah matang, dan yang lainnya,” kata Shalaginov. “Di masa depan, platform unik ini akan memungkinkan kami mengontrol panjang fokus logam secara sewenang-wenang.”

Referensi: “Logam semua-dielektrik yang dapat dikonfigurasi ulang dengan kinerja terbatas difraksi” oleh Mikhail Y. Shalaginov, Sensong An, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Vladimir Liberman, Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, Myungkoo Kang, Carlos Rios , Qingyang Du, Clayton Fowler, Anuradha Agarwal, Kathleen A. Richardson, Clara Rivero-Baleine, Hualiang Zhang, Juejun Hu dan Tian Gu, 22 Februari 2021, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21440-9

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.