211service.com
Linser håller på att återuppfinnas och kameror kommer aldrig att bli desamma
Linser är nästan lika gamla som civilisationen själv. De gamla egyptierna, grekerna och babylonierna utvecklade alla linser gjorda av polerad kvarts och använde dem för enkel förstoring. Senare kombinerade 1600-talets forskare linser för att göra teleskop och mikroskop, instrument som förändrade vår syn på universum och vår position inom det.
Nu uppfinns linser på nytt genom processen med fotolitografi, som skär in subvåglängdsdetaljer på platta glasskivor. Idag visar Alan She och kompisar vid Harvard University i Massachusetts hur man ordnar dessa funktioner på ett sätt som sprider ljus med större kontroll än vad som någonsin varit möjligt. De säger att de resulterande metalenserna kommer att revolutionera bildbehandlingen och inleda en ny era av optisk bearbetning.
Tillverkning av objektiv har alltid varit en knepig affär. Det görs vanligtvis genom att hälla smält glas, eller kiseldioxid, i en form och låta den stelna innan den slipas och poleras till önskad form. Detta är en tidskrävande verksamhet som skiljer sig väsentligt från tillverkningsprocesserna för ljusavkännande komponenter på mikrochips.
Metalenses ristas på wafers av kiseldioxid i en process som den som används för att göra kiselchips
Så ett sätt att göra linser på chips på samma sätt skulle vara enormt användbart. Det skulle göra det möjligt för linser att tillverkas i samma fabriker som andra mikroelektroniska komponenter, även samtidigt.
Hon och co visar hur denna process nu är möjlig. Nyckelidén är att små detaljer, mindre än ljusets våglängd, kan manipulera det. Till exempel kan vitt ljus brytas upp i dess komponentfärger genom att reflektera det från en yta i vilken en uppsättning parallella diken är inristade som har samma skala som ljusets våglängd.
Metalenses kan producera bilder av hög kvalitet
Fysiker har lekt med så kallade diffraktionsgitter i århundraden. Men fotolitografi gör det möjligt att ta idén mycket längre genom att skapa ett bredare utbud av funktioner och variera deras form och orientering.
Sedan 1960-talet har fotolitografi producerat allt mindre detaljer på kiselchips. 1970 kunde den här tekniken skära former i kisel med en skala på runt 10 mikrometer. År 1985 hade objektstorleken sjunkit till en mikrometer och 1998 till 250 nanometer. Idag tillverkar chipindustrin funktioner runt 10 nanometer i storlek.
Synligt ljus har en våglängd på 400 till 700 nanometer, så chipindustrin har kunnat göra funktioner av denna storlek under en tid. Men först nyligen har forskare börjat undersöka hur dessa egenskaper kan ordnas på platta skivor av kiseldioxid för att skapa metaller som böjer ljus.
Processen börjar med en kiseldioxidskiva på vilken ett tunt lager av kisel avsatts med ett fotoresistmönster. Kislet nedan skärs sedan bort med hjälp av ultraviolett ljus. Att tvätta bort den återstående fotoresisten lämnar det oexponerade kislet i önskad form.
Hon och co använder denna process för att skapa en periodisk uppsättning kiselpelare på glas som sprider synligt ljus när det passerar igenom. Och genom att noggrant kontrollera avståndet mellan pelarna kan teamet fokusera ljuset.
Specifika pelaravstånd bestämmer de exakta optiska egenskaperna hos denna lins. Forskarna kan till exempel kontrollera kromatisk aberration för att avgöra var ljus i olika färger kommer i fokus.
I avbildningslinser måste kromatisk aberration minimeras - den producerar annars de färgade fransarna runt föremål som ses genom billiga leksaksteleskop. Men i spektrografer måste olika färger fokuseras på olika platser. Hon och co kan göra båda.
Inte heller dessa linser lider av sfärisk aberration, ett vanligt problem med vanliga linser som orsakas av deras tredimensionella sfäriska form. Metalenses har inte detta problem eftersom de är platta. Faktum är att de liknar de teoretiska ideallinser som grundfysiker studerar i optikkurser.
Naturligtvis har fysiker kunnat göra platta linser, som Fresnel-linser, i decennier. Men de har alltid varit svåra att göra.
Det viktigaste framsteg här är att metalenses, eftersom de kan tillverkas på samma sätt som mikrochips, kan massproduceras med subvåglängds ytegenskaper. Hon och co gör dussintals av dem på en enda kiselskiva. Var och en av dessa linser är mindre än en mikrometer tjocka, med en diameter på 20 millimeter och en brännvidd på 50 millimeter.
Vi föreställer oss en tillverkningsövergång från att använda maskinbearbetad eller gjuten optik till litografiskt mönstrad optik, där de kan massproduceras med samma skala och precision som IC-chips, säger hon och co.
Och de kan göra detta med chiptillverkningsteknik som är mer än ett decennium gammal. Det kommer att ge gamla fantastiska växter ett nytt liv. Toppmodern utrustning är användbar, men inte nödvändigtvis, säger hon och co.
Metalenses har ett brett användningsområde. Det mest uppenbara är bildbehandling. Platta linser kommer att göra bildbehandlingssystem tunnare och enklare. Men avgörande, eftersom metalenses kan tillverkas i samma process som de elektroniska komponenterna för att känna av ljus, blir de billigare.
Så kameror för smartphones, bärbara datorer och augmented-reality bildsystem kommer plötsligt att bli mindre och billigare att tillverka. De kan till och med skrivas ut på änden av optiska fibrer för att fungera som endoskop.
Astronomer kan också ha kul. Dessa linser är betydligt lättare och tunnare än de giganter som de har skjutit upp i omloppsbana i observatorier som rymdteleskopet Hubble. En ny generation av rymdbaserad astronomi och jordobservation lockar.
Men det är inom chipsen själva som denna teknik kan ha störst inverkan. Tekniken gör det möjligt att bygga komplexa system av optisk bänktyp till chips för optisk bearbetning.
Och det finns ytterligare framsteg i pipelinen. En möjlighet är att ändra metallens egenskaper i realtid med hjälp av elektriska fält. Det ökar utsikterna för linser som ändrar brännvidd med spänningen – eller, ännu viktigare, som växlar ljus.
Ref: arxiv.org/abs/1711.07158 : Large Area Metalenses: Design, Characterization, and Mass Manufacturing