Полированное стекло на протяжении веков было в центре систем обработки изображений. Их точная кривизна позволяет линзам фокусировать свет и создавать четкие изображения, независимо от того, является ли объект в поле зрения отдельной ячейкой, страницей книги или далекой галактикой. Изменение фокуса, чтобы четко видеть во всех этих масштабах, обычно требует физического перемещения линзы путем наклона, скольжения или иного перемещения линзы, обычно с помощью механических деталей, которые составляют большую часть микроскопов и телескопов.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института изготовили настраиваемую «металинзу», которая может фокусироваться на объектах на разной глубине без изменения его физического положения или формы. Линза сделана не из сплошного стекла, а из прозрачного материала с «фазовым переходом», который после нагревания может изменить свою атомную структуру и тем самым изменить способ взаимодействия материала со светом.

Исследователи нанесли на поверхность материала крошечные структуры с четким 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.

«Наш результат показывает, что наша ультратонкая перестраиваемая линза без движущихся частей может обеспечивать безаберрационное изображение перекрывающихся объектов, расположенных на разной глубине, конкурируя с традиционными громоздкими оптическими системами», — говорит Тиан Гу, научный сотрудник лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института. Гу и его коллеги опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications. Его соавторами являются Цзюэцзюнь Ху, Михаил Шалагинов, Ифэй Чжан, Фань Ян, Питер Су, Карлос Риос, Циньян Ду и Анурадха Агарвал из Массачусетского технологического института; Владимир Либерман, Джеффри Чоу и Кристофер Робертс из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института; и сотрудники Массачусетского университета в Лоуэлле, Университета Центральной Флориды и Lockheed Martin Corporation.

Улучшение материала

Новая линза сделана из материала с изменяющейся фазой, который команда изготовила путем настройки материала, обычно используемого в перезаписываемых компакт-дисках и DVD. Названный GST, он состоит из германия, сурьмы и теллура, и его внутренняя структура изменяется при нагревании с помощью лазерных импульсов. Это позволяет материалу переключаться между прозрачным и непрозрачным состояниями — механизм, который позволяет записывать, стирать и перезаписывать данные, хранящиеся на компакт-дисках.

Ранее в этом году исследователи сообщили о добавлении в GST еще одного элемента, селена, для создания нового материала с изменяющейся фазой: GSST. Когда они нагревали новый материал, его атомная структура перешла от аморфного, беспорядочного клубка атомов к более упорядоченной кристаллической структуре. Этот сдвиг фазы также изменил способ прохождения инфракрасного света через материал, влияя на преломляющую способность, но с минимальным влиянием на прозрачность.

Команда задалась вопросом, можно ли настроить коммутационную способность GSST для направления и фокусировки света в определенных точках в зависимости от его фазы. В этом случае материал может служить активной линзой без необходимости в механических частях для смещения его фокуса. «В целом, когда делают оптическое устройство, очень сложно настроить его характеристики после изготовления», — говорит Шалагинов. «Вот почему такая платформа — это святой Грааль для инженеров-оптиков, который позволяет «металинзам» эффективно переключать фокус в большом диапазоне».

В горячем месте

В обычных линзах стекло точно изогнуто, так что падающий луч света преломляется от линзы под разными углами, сходясь в точке на определенном расстоянии от линзы, известной как фокусное расстояние линзы. Затем линзы могут создавать четкое изображение любых объектов на определенном расстоянии. Для изображения объектов с разной глубиной линзу необходимо физически перемещать.

Вместо того, чтобы полагаться на фиксированную кривизну материала для прямого света, исследователи попытались изменить металинзу на основе GSST таким образом, чтобы фокусное расстояние изменялось в зависимости от фазы материала. В своем новом исследовании они изготовили слой GSST толщиной 1 микрон и создали «метаповерхность» путем травления слоя GSST на микроскопические структуры различной формы, которые по-разному преломляют свет.

«Это сложный процесс создания метаповерхности, которая переключается между различными функциями, и требует разумной разработки того, какие формы и узоры использовать», — говорит Гу. «Зная, как материал будет себя вести, мы можем разработать конкретный узор, который будет фокусироваться в одной точке в аморфном состоянии и переходить в другую точку в кристаллической фазе».

Они протестировали новую металинзу, поместив ее на сцену и осветив лазерным лучом, настроенным на инфракрасный диапазон света. На определенных расстояниях перед линзой они размещали прозрачные объекты, состоящие из двухсторонних узоров из горизонтальных и вертикальных полос, известных как диаграммы разрешения, которые обычно используются для тестирования оптических систем.

Линза в исходном аморфном состоянии давала резкое изображение первого узора. Затем группа нагревает линзу, чтобы преобразовать материал в кристаллическую фазу. После перехода и с удаленным источником нагрева линза давала столь же резкое изображение, на этот раз второго, более дальнего набора полос. «Мы демонстрируем изображения на двух разных глубинах без каких-либо механических движений», — говорит Шалагинов.

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. «Это похоже на приготовление стейка — каждый начинает с сырого стейка и может дойти до хорошо прожаренного, или можно приготовить средне-прожаренный стейк или что-то еще между ними», — говорит Шалагинов. «В будущем эта уникальная платформа позволит нам произвольно управлять фокусным расстоянием металинзы».