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Meta-Oberflächenkorrekturen für chromatische Aberrationen bei allen Arten von Objektiven

Einschichtige Oberfläche von Nanostrukturen kann in kommerzielle optische Systeme integriert werden

23.11.2018

Capasso Lab/Harvard SEAS

Dies sind Bilder eines US Air Force Auflösungsziels, ein mikroskopischer optischer Auflösungstest, aufgenommen mit (links) und ohne (rechts) den Metakorrektor. Die Linienbreite der ersten Linie in Gruppe 7 des Auflösungsziels beträgt 3,91 Mikrometer. Der Skalenbalken beträgt 25 Mikrometer.

Harvard SEAS

Dies ist ein SEM-Bild des Metakorrektors. Der Brechungsindex jeder Nanosäule kann so eingestellt und gesteuert werden, dass alle Wellenlängen auf den gleichen Fokuspunkt gebracht werden.

Die heutigen optischen Systeme - von Smartphone-Kameras bis hin zu hochmodernen Mikroskopen - verwenden Technologien, die sich seit Mitte des 19. Jahrhunderts nicht wesentlich verändert haben. Verbundlinsen, die um 1730 erfunden wurden, korrigieren die chromatischen Aberrationen, die dazu führen, dass Linsen unterschiedliche Wellenlängen des Lichts an verschiedenen Stellen fokussieren. Obwohl effektiv, sind diese Multimateriallinsen sperrig, teuer und erfordern eine präzise Politur oder Formgebung und eine sehr sorgfältige optische Ausrichtung. Nun fragt eine Forschergruppe der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS): Ist es nicht Zeit für ein Upgrade?

SEAS-Forscher haben einen so genannten Metakorrektor entwickelt, eine einschichtige Oberfläche aus Nanostrukturen, die chromatische Aberrationen über das sichtbare Spektrum korrigieren und in kommerzielle optische Systeme integriert werden kann, von einfachen Linsen bis hin zu High-End-Mikroskopen. Der Metakorrektor eliminierte chromatische Aberrationen in einer kommerziellen Linse über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts. Das Gerät eignet sich auch für die hochkomplexen Objektive mit bis zu 14 konventionellen Objektiven, die in hochauflösenden Mikroskopen eingesetzt werden.

"Unsere Metakorrektor-Technologie kann in Verbindung mit traditionellen refraktiven optischen Komponenten arbeiten, um die Leistung zu verbessern und gleichzeitig die Komplexität und den Platzbedarf des Systems für eine Vielzahl von Anwendungen in großen Mengen deutlich zu reduzieren", sagte Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bei SEAS und Senior Author der Arbeit.

In früheren Forschungen haben Capasso und sein Team gezeigt, dass Meta-Oberflächen, Arrays von Nanopillaren, die weniger als eine Wellenlänge voneinander entfernt sind, verwendet werden können, um die Phase, Amplitude und Polarisation von Licht zu manipulieren und neue, ultrakompakte optische Vorrichtungen, einschließlich Flachlinsen, zu ermöglichen. Diese Forschung verwendet die gleichen Prinzipien, um den effektiven Brechungsindex jeder Nanosäule so einzustellen und zu kontrollieren, dass alle Wellenlängen durch den Metakorrektor auf den gleichen Fokuspunkt gebracht werden.

"Man kann sich Licht als verschiedene Pakete vorstellen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geliefert werden, während es sich in den Nanopillaren ausbreitet. Wir haben die Nanosäulen so konzipiert, dass alle diese Pakete gleichzeitig und mit gleicher zeitlicher Breite an der Brennfläche ankommen", sagt Wei Ting Chen, Research Associate in Applied Physics bei SEAS und Erstautor der Arbeit.

"Die Verwendung von Metakorrektoren unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen Methoden der Aberrationskorrektur, wie z.B. der Kaskadierung refraktiver optischer Komponenten oder der Verwendung diffraktiver Elemente, da es sich um Nanostrukturtechnik handelt", sagt Alexander Zhu, Doktorand am SEAS und Mitautor der Studie. "Das bedeutet, dass wir über die materiellen Grenzen von Objektiven hinausgehen und viel bessere Leistungen erbringen können."

Als nächstes wollen die Forscher die Effizienz von High-End- und Miniatur-Optiken steigern.

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