Линзы из метаматериалов догнали традиционную оптику

Физики из университетов Гарварда и Уотерлу создали плоскую линзу из метаматериалов, способную работать во всем видимом диапазоне не хуже, чем традиционная передовая оптика. Разрешение линзы позволяет видеть объекты с размером меньше длины волны света. Максимальное увеличение, достигнутое авторами с помощью одной линзы, составило 168 крат. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Гарвардского университета.

Линзы состоят из массивов вертикальных пластинок, сделанных из оксида титана. Эти пластинки расположены под строго заданными углами друг по отношению к другу — таким образом разработчикам удалось добиться того, что фазовый профиль металинзы совпадает с профилем сферической линзы. Углы поворота пластинок зависят от того, какова длина волны света, проходящего через оптический прибор, поэтому «идеально» линза работает лишь со светом с определенными характеристиками.

Авторы изготовили три линзы, настроенных на разные длины волн — 660 (красный), 532 (зеленый) и 405 (синий) нанометров. Каждая из них представляет собой кружок диаметром 0,24 миллиметра и с фокусным расстоянием 0,09 миллиметров. Для того, чтобы сравнить их оптические свойства, ученые провели эксперимент, в котором фокусировали лучи лазера разных длин волн с помощью металинз и с помощью объектива 100× Nikon CFI 60. Последний обладал точно такой же числовой апертурой, как и металинзы. Оказалось, что пятно фокусировки для линз из метаматериалов при соответствии длины лазера с длиной, использованной для проектирования, было в полтора раза меньше, чем пятно фокусировки у объектива. 

Затем физики опробовали предложенную концепцию линз для фотосъемки. Это потребовало создания еще одной металинзы диаметром два миллиметра и настроенной на 532 нанометра. С ее помощью авторы фотографировали тестовые таблицы с полосками, расположенными на разном расстоянии друг от друга. Снимки были получены не только для 532 нанометров, но и для других длин волн во всем видимом диапазоне.

Авторы отмечают, что для разных длин волн фокусное расстояние плоской линзы было различным. Так, на номинальной длине волны в 532 нанометра металинза давала увеличение в 138 раз, а при росте длины волны лазера, высвечивающего тестовую таблицу до 620 нанометров увеличение изменялось до 167-кратного. Эта разница в увеличении приводит к возникновению хроматических аберраций, минимизированных у традиционных объективов. 

Кроме тестовых мишеней с микронными полосками физики получили снимки объектов меньших длины волны использованного света. Так, с помощью металинз удалось разрешить квадрат из четырех точек, разнесенных на расстояние 450 нанометров — дифракционный предел для линзы составляет немногим более 330 нанометров. 

В будущем авторы надеются решить проблему хроматических аберраций у разработанных линз. Как отмечают ученые, технологии, необходимые для этого уже существуют. 

Метаматериалами называют такие материалы, свойства которых (например, оптические) определяются в большей степени не веществами, из которых они состоят, а периодическими структурами, которые эти вещества образуют. Одним из классических примеров метаматериалов являются среды с отрицательным коэффициентом преломления. Первые примеры таких материалов представляли собой периодические массивы металлических колечек, сплетенных друг с другом. 

Благодаря оптическим метаматериалам возможно создание плоских линз, а также преодоление дифракционного предела. Так, в прошлом году физики из Университета Буффало добились такого результата в видимом оптическом диапазоне.

Владимир Королёв