La nueva función «metalens» cambia el enfoque sin inclinarse ni moverse

Instituto de Tecnología de Massachusetts

El vidrio flotado ha estado en el centro de los sistemas fotográficos durante siglos. La fina curvatura de las lentes permite enfocar la luz y producir imágenes nítidas, ya sea que el objeto visible sea una sola celda, una página de un libro o una galaxia distante.

Cambiar el enfoque para ver claramente en todas estas escalas requiere mover la lente físicamente, inclinándola, deslizándola o cambiando de otra manera la lente, generalmente con la ayuda de piezas mecánicas que aumentan el tamaño de los microscopios y telescopios.

Ahora los ingenieros del MIT han creado «metales» ajustables que pueden enfocarse en objetos a múltiples profundidades, sin alterar su ubicación física o forma. La lente no está hecha de vidrio sólido sino de un material transparente de «fase variable» que, después de calentar, puede reorganizar su estructura atómica y así cambiar la forma en que el material interactúa con la luz.

Los investigadores han grabado la superficie del material con estructuras delicadas y ornamentadas que funcionan juntas como una «super superficie» para refractar o reflejar la luz de formas únicas. A medida que cambia la propiedad del material, la función óptica de la superficie sobrehumana varía en consecuencia. En este caso, cuando el material está a temperatura ambiente, la superficie de perforación enfoca la luz para generar una imagen nítida de un objeto a cierta distancia. Después de que el material se calienta, su estructura atómica cambia y, en respuesta a esto, la superficie metamórfica redirige la luz para enfocarse en un objeto más distante.

De esta forma, los nuevos «metalentes» activos pueden ajustar su concentración sin necesidad de elementos mecánicos voluminosos. El nuevo diseño, que actualmente se dispara dentro del rango infrarrojo, puede permitir dispositivos ópticos más ágiles, como rangos de calor miniaturizados para drones, cámaras térmicas ultradelgadas para teléfonos móviles y gafas de visión nocturna de perfil más bajo.

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«Nuestro resultado muestra que nuestras lentes ajustables ultradelgadas, sin partes móviles, pueden lograr imágenes sin aberraciones de objetos interferentes colocados a diferentes profundidades, para competir con sistemas ópticos convencionales masivos», dice Tian Guo, científico investigador de la Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Gu y sus colegas publicaron sus hallazgos hoy en Nature Communications. Los coautores incluyen a Gojon Hu, Mikhail Chalagenov, Yevi Zhang, Van Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Do y Anurada Agarwal del MIT; Vladimir Lieberman, Jeffrey Chu y Christopher Roberts del Laboratorio Lincoln del MIT. Colaboradores de la Universidad de Massachusetts en Lowell, la Universidad de Florida Central y Lockheed Martin.

Disco físico

La nueva lente está hecha de un material de cambio de fase que el equipo fabricó modificando el material que se usa comúnmente en los discos regrabables de CD y DVD. Llamado GST, está compuesto de germanio, antimonio y telurio, y su estructura interna cambia cuando se calienta con pulsos de láser. Esto permite que los materiales cambien entre estados transparentes y opacos: el mecanismo que permite que los datos almacenados en CD se escriban, borren y reescriban.

A principios de este año, los investigadores informaron que agregaron otro elemento, selenio, a GST para hacer un elemento Nuevos materiales que cambian de fase: GSST. Cuando calentaron el nuevo material, su estructura atómica se transformó de una maraña amorfa y aleatoria de átomos a una estructura cristalina más ordenada. Este cambio de fase también cambió la forma en que la luz infrarroja viajaba a través del material, afectando la fuerza refractiva pero con un efecto mínimo sobre la transparencia.

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El equipo cuestionó si la capacidad de conmutación GSST podría diseñarse para dirigir y enfocar la luz en puntos específicos dependiendo de su fase. Entonces, el material puede actuar como una lente activa, sin la necesidad de piezas mecánicas para cambiar su enfoque.

«En general, cuando uno fabrica un dispositivo óptico, es muy difícil ajustar sus propiedades después de la fabricación», dice Chalagenov. “Es por eso que poseer este tipo de plataforma es como el Santo Grial de los ingenieros ópticos, y permite [the metalens] Para cambiar el enfoque de manera eficiente y a escala «.

En el asiento caliente

En las lentes convencionales, el vidrio se curva con precisión de modo que el rayo de luz de la lente se refracta en diferentes ángulos y converge en un punto a una cierta distancia, conocido como la distancia focal de la lente. Las lentes pueden producir una imagen nítida de cualquier objeto a esa distancia especificada. Para fotografiar objetos a diferentes profundidades, la lente debe moverse físicamente.

En lugar de confiar en la constante flexión del material para dirigir la luz, los investigadores analizaron la modificación de minerales basados ​​en el GSST de tal manera que la distancia focal cambia con la fase del material.

En su nuevo estudio, crearon una capa de 1 micra de GSST y crearon una «superficial» grabando la capa de GSST en microestructuras de diferentes formas que refractan la luz de diferentes maneras.

«Es un proceso complejo de construir una interfaz descriptiva que cambia entre diferentes funciones y requiere una ingeniería juiciosa del tipo de formas y patrones que se utilizarán», dice Joe. «Al saber cómo se comporta una sustancia, podemos diseñar un patrón específico que se concentre en un punto del estado amorfo y cambie a otro punto en la fase cristalina».

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Probaron los nuevos metales colocándolos en el escenario e iluminándolos con un rayo láser sintonizado en el rango infrarrojo. A ciertas distancias frente a la lente, colocaron objetos transparentes que consisten en patrones de bandas horizontales y verticales de doble cara, conocidos como gráficos de resolución, que se usan comúnmente para probar sistemas ópticos.

La lente, en su estado amorfo primario, produjo una imagen nítida del primer patrón. Luego, el equipo calentó la lente para convertir el material en una fase cristalina. Después de continuar, quitando la fuente de calor, la lente produjo una imagen uniformemente nítida, esta vez del segundo conjunto, el más alejado de las tiras.

«Proyectamos la imagen a dos profundidades diferentes, sin ningún movimiento mecánico», dice Chalagenov.

Los experimentos muestran que el mineral puede cambiar de enfoque de manera efectiva sin ningún movimiento mecánico. Los investigadores dicen que el metal podría fabricarse potencialmente utilizando microcalentadores integrados para calentar rápidamente el material con pulsos cortos de milisegundos. Al cambiar las condiciones de calentamiento, también pueden establecer los estados intermedios de otros materiales, lo que permite un enfoque continuo.

«Es como cocinar un bistec: uno comienza con un bistec crudo y se puede hacer bien, o se puede cocinar a medio y cualquier otra cosa en el medio», dice Chalagenov. «En el futuro, esta plataforma única nos permitirá controlar arbitrariamente la distancia focal del metal».

/ Publicación universitaria. Este material proviene del establecimiento original y puede ser de naturaleza cronológica, y está editado para mayor claridad, estilo y extensión. Espectáculo completo Aquí.

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