Uma nova abordagem para a fabricação de lentes multicoloridas pode inspirar uma nova geração de óptica pequena, barata e poderosa para dispositivos portáteis, como telefones e drones.
O design utiliza camadas de metamateriais para focar simultaneamente uma gama de comprimentos de onda de uma fonte não polarizada e em um diâmetro grande, superando uma limitação importante das metalenses, afirmou o primeiro autor do artigo que relata o design, o Sr. Joshua Jordaan, da Escola de Pesquisa em Física da Universidade Nacional da Austrália e do Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos (TMOS).
“Nosso design possui muitas características interessantes que o tornam aplicável a dispositivos práticos.”
“É fácil de fabricar porque tem uma baixa relação de aspecto e cada camada pode ser fabricada individualmente e então empaquetada em conjunto, também é insensível à polarização e é potencialmente escalável através de plataformas de nanofabricação semicondutoras maduras,” disse o Sr. Jordaan.
O projeto foi liderado por pesquisadores da Universidade Friedrich Schiller de Jena, na Alemanha, como parte do Grupo Internacional de Treinamento em Pesquisa Meta-ACTIVE. O artigo que relata seu design foi publicado na Optics Express.
As metalenses têm espessuras de meras frações da largura de um cabelo, que são ordens de magnitude mais finas do que as lentes convencionais. Elas podem ser projetadas para ter propriedades como distâncias focais que seriam impossivelmente curtas para a óptica convencional.
Inicialmente, a equipe tentou focar múltiplos comprimentos de onda com uma única camada, mas encontrou algumas limitações fundamentais, disse o Sr. Jordaan.
“Acontece que o máximo de atraso de grupo alcançável em uma única metasuperfície tem limitações físicas, e essas, por sua vez, estabelecem limites superiores para o produto da abertura numérica, diâmetro físico e largura de banda operacional.”
“Para funcionar na faixa de comprimento de onda que precisávamos, uma única camada teria que ter um diâmetro muito pequeno, o que derrotaria o propósito do design, ou basicamente ter uma abertura numérica tão baixa que mal estaria focando a luz,” disse ele.
“Percebemos que precisávamos de uma estrutura mais complexa, o que nos levou a uma abordagem de múltiplas camadas.”
Com o design mudado para incorporar várias camadas de metalens, a equipe abordou o problema com um algoritmo de design inverso baseado em otimização de forma, com uma parametrização que oferecia muitas graus de liberdade.
Eles guiaram o software para pesquisar formas de metasuperfícies que, para um único comprimento de onda, criassem ressonâncias simples tanto no dipolo elétrico quanto no magnético, conhecidas como ressonâncias de Huygens. Ao empregar ressonâncias, a equipe foi capaz de melhorar os designs anteriores de outros grupos e desenvolver designs de metalens que eram independentes de polarização e tinham maiores tolerâncias nas especificações de fabricação – crucial na busca por escalar a fabricação para quantidades industriais.
A rotina de otimização resultou em uma biblioteca de elementos metamateriais em uma surpreendente variedade de formas, como quadrados arredondados, trevo de quatro folhas e hélices.
Essas pequenas formas, com cerca de 300 nm de altura e 1000 nm de largura, abrangeram toda a gama de deslocamentos de fase, de zero a dois pi, permitindo à equipe criar um mapa de gradiente de fase para alcançar qualquer padrão de foco arbitrário – embora inicialmente estivessem apenas visando uma estrutura de anel simples de uma lente convencional.
“Podemos, por exemplo, focar diferentes comprimentos de onda em diferentes localizações para criar um roteador de cores,” disse o Sr. Jordaan.
No entanto, a abordagem de múltiplas camadas é limitada a um máximo de cerca de cinco comprimentos de onda diferentes, disse o Sr. Jordaan.
“O problema é que você precisa de estruturas grandes o suficiente para serem ressonantes no comprimento de onda mais longo, sem causar difração nos comprimentos de onda mais curtos,” disse ele.
Dentro dessas restrições, o Sr. Jordaan disse que a capacidade de fabricar metalenses para coletar muita luz será uma grande vantagem para futuros sistemas de imagem portáteis.
“As metalenses que projetamos seriam ideais para drones ou satélites de observação da Terra, pois tentamos torná-las o mais pequenas e leves possível,” disse ele.