Les métasurfaces actives, dont les propriétés optiques peuvent être ajustées après fabrication, sont devenues un domaine d'intérêt ces dernières années. Cependant, les efforts à ce jour sont encore confrontés à de graves limitations de performances en termes de plage de réglage, de qualité optique et d'efficacité, en particulier pour les dispositifs non mécaniques.
Les ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology ont développé des «lentilles métalliques» adaptatives qui peuvent fournir une mise au point plus efficace des lentilles des caméras, microscopes, télescopes et autres systèmes d'imagerie sans utiliser de mécanismes d'entraînement volumineux.
Le verre transparent avec deux surfaces polies réfractant la lumière a été la base de la plupart des systèmes optiques pendant de nombreux siècles. Le degré de concavité ou de convexité des surfaces de la lentille vous permet de voir toutes sortes d'objets, d'une minuscule cellule à une galaxie lointaine et lointaine. Cependant, pour obtenir une image claire d'objets de n'importe quelle échelle, il faut recourir au mouvement physique de l'objectif en utilisant des mécanismes supplémentaires qui prennent beaucoup de place et alourdissent l'appareil, qu'il s'agisse d'une caméra, d'un microscope ou d'un télescope.
Les chercheurs ont gravé la surface du matériau avec de minuscules structures aux motifs précis qui fonctionnent ensemble comme une métasurface, réfractant ou réfléchissant la lumière d'une manière unique. Lorsque les propriétés du matériau changent, la fonction optique de la métasurface change en conséquence. Dans ce cas, lorsque le matériau est à température ambiante, la métasurface focalise la lumière pour créer une image claire de l'objet à une certaine distance. Après avoir chauffé le matériau, sa structure atomique change et, en réponse, la métasurface redirige la lumière pour se concentrer sur un objet plus éloigné.
Ainsi, la nouvelle lentille en métal actif peut ajuster la mise au point sans avoir besoin d'éléments mécaniques encombrants. La nouvelle conception, qui permet actuellement l'imagerie infrarouge, pourrait permettre des dispositifs optiques plus flexibles tels que des caméras thermiques miniatures pour drones, des caméras thermiques ultra-compactes pour téléphones mobiles et des lunettes de vision nocturne à profil bas.
Transitions de phase
Le nouvel objectif est fabriqué à partir d'un matériau à déphasage que l'équipe a fabriqué en personnalisant le matériau couramment utilisé dans les CD et DVD réinscriptibles. Appelé GST, il est composé de germanium, d'antimoine et de tellure, et sa structure interne passe de cristalline à amorphe, de transparente à opaque lorsqu'elle est chauffée par des impulsions laser. Ce sont ces transitions de phase qui permettent de créer des supports d'enregistrement optiques réversibles. Ce mécanisme vous permet d'écrire, d'effacer et d'écraser des données stockées sur des CD.
Changement de distance focale dans l'état amorphe et cristallin du matériau
Les ingénieurs ont ensuite ajouté du sélénium à la structure du GST, ce qui a donné le GSST. Dans la version mise à jour, la transition de phase a également influencé l'interaction du métamatériau avec la lumière infrarouge, transformant son pouvoir réfléchissant avec un impact minimal sur la transparence de la surface. En observant les propriétés inhabituelles du GSST, les chercheurs ont pensé qu'il pourrait être adapté pour créer un "metalens" actif qui peut adapter sa distance focale en fonction de la phase.
GSST au microscope
Lors d'essais en laboratoire, les ingénieurs ont produit une couche de GSST d'une épaisseur de seulement 1 micron et ont expérimenté différentes formes de matériaux pour trouver l'option la plus optimale qui pourrait changer la façon dont il interagit avec la lumière en fonction de la température. Les «lentilles métalliques» du GSST ont été placées sur un banc d'essai avec un laser réglé pour émettre de la lumière dans le domaine infrarouge. À une certaine distance de l'installation, les ingénieurs ont placé des plaques transparentes avec des traits horizontaux et verticaux à contraste élevé - les soi-disant objets de test pour évaluer la résolution des systèmes optoélectroniques numériques.
A l'état amorphe initial, les "metalens" se focalisaient facilement sur la plaque la plus proche. Les scientifiques ont ensuite chauffé le métamatériau afin qu'il acquière une structure cristalline claire et se soit concentré sur un objet de test plus éloigné. Jusqu'à présent, le matériau inhabituel démontre la capacité de capturer des images nettes à deux niveaux de profondeur de champ sans l'utilisation de lecteurs mécaniques. A l'avenir, les chercheurs prévoient d'élargir la gamme de phases du matériau GSST afin d'augmenter les capacités de focalisation des "metalens". L'un des ingénieurs a comparé le processus de changement des phases dans des matériaux similaires à la cuisson du steak. La viande peut être non seulement crue ou frite: il existe de nombreux états intermédiaires - il vous suffit de trouver un moyen de les atteindre et de fixer le résultat.
Des expériences montrent que la lentille métallique peut changer activement de mise au point sans aucun mouvement mécanique. Les chercheurs affirment que la lentille métallique pourrait potentiellement être fabriquée avec des micro-radiateurs intégrés pour chauffer rapidement le matériau en courtes impulsions millisecondes. En modifiant les conditions de chauffage, ils peuvent également s'accorder sur les états intermédiaires d'autres matériaux, offrant ainsi un réglage de mise au point continu.
Plus de détails: www.nature.com/articles/s41467-021-21440-9