Активные метаповерхности, оптические свойства которых можно регулировать после изготовления, за последние годы стали исследуемой областью. Однако на сегодняшний день предпринимаемые усилия все еще сталкиваются с серьезными ограничениями производительности в диапазоне настройки, оптическом качестве и эффективности, особенно для немеханических устройств.
Инженеры из Массачусетского технологического института разработали адаптивные «металинзы», которые смогут обеспечить более эффективную фокусировку объективов камер, микроскопов, телескопов и прочих систем визуализации без использования громоздких приводных механизмов.
Прозрачные стёкла с двумя преломляющими свет полированными поверхностями лежат в основе большинства оптических систем на протяжении многих столетий. Степень вогнутости или выпуклости поверхностей линз позволяет видеть всевозможные объекты, начиная от крошечной клетки и заканчивая далёкой-далёкой галактикой. Впрочем, для получения чёткого изображения объектов любых масштабов приходится прибегать к физическому перемещению линзы при помощи дополнительных механизмов, которые занимают немало места и утяжеляют устройства, будь то камера, микроскоп или телескоп.
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.
Фазовые переходы
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, переходя из кристаллического состояния в аморфное, из прозрачного становясь непрозрачным, при нагревании с помощью лазерных импульсов. Именно эти фазовые переходы делают возможным создание реверсивных носителей оптической записи. Данный механизм позволяет записывать, стирать и перезаписывать данные, хранящиеся на компакт-дисках.
Изменение фокусного расстояния в аморфном и кристаллическом состоянии материала
Затем инженеры добавили в структуру GST селен, получив GSST. В обновлённом варианте фазовый переход также повлиял на взаимодействие метаматериала с инфракрасным светом, преобразовав его отражающую силу с минимальным влиянием на прозрачность поверхности. Наблюдая за необычными свойствами GSST, исследователи подумали, что его можно было бы адаптировать для создания активной «металинзы», которая сможет адаптировать своё фокусное расстояние в зависимости от фазы.
GSST под микроскопом
В ходе лабораторных испытаний инженеры произвели слой GSST толщиной всего 1 микрон и стали экспериментировать с различными формами материала, чтобы отыскать наиболее оптимальный вариант, способный изменять способ взаимодействия со светом в зависимости от температуры. «Металинзы» из GSST разместили на тестовой установке, направив на них лучи лазера, настроенного на излучения света в инфракрасном диапазоне. На некотором расстоянии от установки инженеры поместили прозрачные пластины с нанесёнными на них горизонтальными и вертикальными высококонтрастными штрихами – так называемые тест-объекты для оценки разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем.
В начальном аморфном состоянии «металинзы» легко сфокусировались на ближайшей пластине. Затем учёные нагрели метаматериал, чтобы тот обрёл чёткую кристаллическую структуру и сфокусировался на более удалённом тест-объекте. Пока что необычный материал демонстрирует способность получать чёткие изображения на двух уровнях глубины резкости без использования механических приводов. В дальнейшем исследователи планируют расширить спектр фаз материала GSST, чтобы увеличить возможности фокусировки «металинзы». Один из инженеров сравнил процесс изменения фаз в подобных материалах с приготовлением стейка. Мясо может быть не только сырым или прожаренным: существует множество промежуточных состояний – нужно только найти способ достичь их и зафиксировать результат.
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.
Подробнее
