Se ha introducido una nueva técnica para crear metalentes acromáticos insensibles a la polarización de banda ancha (BAPIML), que combate la aberración cromática que se encuentra en los metalentes estándar. El método emplea el criterio de Rayleigh para resolver manchas y nanoaletas de materiales de cambio de fase. Este desarrollo tiene el potencial de mejorar las aplicaciones ópticas y de imágenes.
Utilizando nuevos principios de diseño matizados, los investigadores ofrecen una forma de eliminar la aberración cromática en las metasuperficies.
El control preciso de la luz es un requisito crucial en imágenes ópticas, detección y comunicación. Las lentes tradicionales utilizadas para este fin tienen limitaciones, requiriendo soluciones más precisas y compactas. Para satisfacer esta necesidad, los investigadores han desarrollado metalentes, lentes ultrafinas construidas a partir de nanomateriales más pequeños que la longitud de onda de la luz. Estos elementos de sublongitud de onda proporcionan los medios para manipular ondas de luz con una precisión excepcional, facilitando un control preciso de la amplitud, fase, polarización y dirección de las ondas de luz.
Además, en comparación con las lentes voluminosas, las lentes metálicas son más fáciles de producir y son ideales para dispositivos ópticos miniaturizados y altamente integrados. Sin embargo, los elementos por debajo de la longitud de onda también los hacen susceptibles a la aberración cromática. Esta es una condición en la que cuando la luz pasa a través de una metalente, cada longitud de onda sufre un cambio de fase diferente al interactuar con estructuras de sublongitud de onda. Como resultado, los distintos colores o longitudes de onda de la luz no convergen en el mismo punto, lo que provoca pérdida de enfoque y reducción de la calidad de la imagen.
Metalenses que reducen las aberraciones cromáticas enfocando luz de diferentes longitudes de onda en un mismo punto mediante una disposición estratégica ortogonal o paralela de nanoaletas, NF1 y NF2, compuestas por un material de cambio de fase. Crédito: Tian et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056002
Ahora, en un nuevo estudio publicado en Advanced Photonics Nexus, los investigadores han presentado un nuevo enfoque para crear metalentes acromáticos de banda ancha insensibles a la polarización (BAPIML). Su enfoque aprovecha el criterio de Rayleigh para la resolución puntual, un principio fundamental en óptica utilizado para definir el detalle mínimo resoluble en un sistema de imágenes. «Los avances científicos y técnicos reportados son notables ya que ofrecen un camino para resolver la aberración cromática en metasuperficies, un desafío que ha impedido el progreso en este campo», destaca el editor de la revista, el profesor Alex Krasnok, de la Universidad Internacional de Florida.
Según el criterio de Rayleigh para la resolución puntual, las fuentes puntuales poco espaciadas se pueden resolver cuando el centro del patrón de difracción producido por una fuente puntual cae en el primer mínimo del patrón de difracción de otra fuente puntual. Cuando los patrones de difracción se acercan a este límite, los dos puntos se vuelven indistinguibles entre sí. Este principio fue fundamental en el diseño de telescopios y microscopios para distinguir objetos celestes y capturar los detalles más finos en pequeños ejemplares, respectivamente. En este estudio, los investigadores aplicaron ingeniosamente este concepto para desarrollar dos metalenses complementarios que fusionan los puntos brillantes en un solo punto enfocado.
Fabricaron los dos metalenses utilizando nanoaletas hechas de un material de cambio de fase, Ge2Sb2Se4Te1. Estas nanoaletas se dispusieron en orientaciones ortogonales o paralelas entre sí y se diseñaron para introducir un cambio de fase en la luz que las atraviesa. Una de las nanoaletas actuó como placa de media onda para una longitud de onda de 4 µm, mientras que la otra sirvió como placa de media onda para una longitud de onda de 5 µm.
Los metalenses, cuando se iluminan con luz, producen dos puntos brillantes distintos enfocados en diferentes posiciones. Sin embargo, al ajustar cuidadosamente parámetros como el radio y la distancia focal de los metalenses, los investigadores pudieron fusionar los puntos brillantes en un solo punto de enfoque con una eficiencia de hasta el 43 por ciento. En pocas palabras, las lentes neutralizaron las aberraciones cromáticas enfocando luz de diferentes longitudes de onda en el mismo punto.
Finalmente, los investigadores demuestran la versatilidad de su enfoque al generar un vórtice óptico enfocado acromáticamente e insensible a la polarización de banda ancha. «En pocas palabras, este trabajo significa que estamos en el camino hacia la creación de lentes que puedan manejar mejor la luz sin distorsión y que puedan mejorar potencialmente una variedad de aplicaciones ópticas», dice el Prof.
Este nuevo método para desarrollar BAPIML abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones ópticas y de imágenes mejoradas, incluida la detección molecular, la bioimagen, los detectores y las pantallas holográficas.
Referencia: “Estrategias de diseño diferenciadas para metalenses acromáticos e insensibles a la polarización de banda ancha” por Ximin Tian, Yafeng Huang, Junwei Xu, Tao Jiang, Pei Ding, Yaning Xu, Shenglan Zhang y Zhi-Yuan Li, 22 de julio de 2023, Avanzado Nexo fotónico.
DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056002
