Novas micro-lentes, menores que um fio de cabelo, prometem revolucionar câmeras de celulares e drones.

Design e Fabricação Prática

O design usa camadas de metamateriais para focar simultaneamente uma gama de comprimentos de onda de uma fonte não polarizada e sobre um grande diâmetro, superando uma limitação importante das metalenses, disse o autor principal do artigo que relata o design, 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 razão de aspecto e cada camada pode ser fabricada individualmente e, em seguida, embaladas juntas, também é insensível à polarização e potencialmente escalável por meio de plataformas maduras de nanofabricação em semicondutores,” disse o Sr. Jordaan.

O projeto foi liderado por pesquisadores da Universidade Friedrich Schiller em Jena, na Alemanha, como parte do Grupo Internacional de Treinamento de Pesquisa Meta-ACTIVE. O artigo que relata seu design foi publicado na Optics Express.

Metalenses e suas Limitações

Metalenses têm espessuras que são frações da largura de um fio de cabelo, o que é ordens de magnitude mais fino do que 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 atraso de grupo máximo que pode ser atingido em uma metasuperfície de camada única possui limitações físicas, que por sua vez impõem limites superiores ao produto da abertura numérica, diâmetro físico e largura de banda de operação.”

“Para trabalhar na faixa de comprimento de onda que precisávamos, uma única camada teria que ter um diâmetro muito pequeno, o que acabaria com o propósito do design, ou teria uma abertura numérica tão baixa que mal estaria focando a luz,” disse ele.

“Percebemos que precisávamos de uma estrutura mais complexa, o que levou a uma abordagem de múltiplas camadas.”

Abordagem de Design Inverso

Com o design alterado para incorporar várias camadas de metalens, a equipe abordou o problema com um algoritmo de design inverso baseado na otimização de formas, com uma parametrização que oferecia muitas degrees de liberdade.

Eles guiaram o software para procurar formas de metasuperfícies que, para um único comprimento de onda, criavam ressonâncias simples tanto no dipolo elétrico quanto no magnético, conhecidas como ressonâncias de Huygens. Ao empregar ressonâncias, a equipe conseguiu melhorar projetos anteriores de outros grupos e desenvolver designs de metalenses que eram independentes de polarização e tinham maiores tolerâncias nas especificações de fabricação – crucial na busca para escalar a fabricação para quantidades industriais.

A rotina de otimização gerou uma biblioteca de elementos metamateriais em uma surpreendente variedade de formas, como quadrados arredondados, trevos de quatro folhas e hélices.

Formas e Limitações

Essas pequenas formas, com cerca de 300 nm de altura e 1000 nm de largura, cobriam toda a gama de desvios de fase, de zero a dois pi, permitindo que a equipe criasse um mapa de gradiente de fase para alcançar qualquer padrão de foco arbitrário – embora inicialmente estivesse apenas visando uma estrutura de anel simples de uma lente convencional.

“Podemos, por exemplo, focar diferentes comprimentos de onda em diferentes locais 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 sofrer difração dos comprimentos de onda mais curtos,” disse ele.

Dentro dessas limitações, o Sr. Jordaan afirmou que a capacidade de fazer metalenses para coletar muita luz será uma benção para futuros sistemas de imagem portáteis.

“As metalenses que projetamos seriam ideais para drones ou satélites de observação da Terra, já que tentamos torná-las o mais pequenas e leves possível,” disse ele.