Инженеры из Массачусетского технологического института разработали адаптивные «металинзы», которые смогут обеспечить более эффективную фокусировку объективов камер, микроскопов, телескопов и прочих систем визуализации без использования громоздких приводных механизмов.

Прозрачные стёкла с двумя преломляющими свет полированными поверхностями лежат в основе большинства оптических систем на протяжении многих столетий. Степень вогнутости или выпуклости поверхностей линз позволяет видеть всевозможные объекты, начиная от крошечной клетки и заканчивая далёкой-далёкой галактикой. Впрочем, для получения чёткого изображения объектов любых масштабов приходится прибегать к физическому перемещению линзы при помощи дополнительных механизмов, которые занимают немало места и утяжеляют устройства, будь то камера, микроскоп или телескоп.

В традиционных линзах изгибы преломляющей поверхностей напрямую определяют величину фокусного расстояния, которое и диктует свойства оптической системы. Инженеры из МТИ решили преодолеть привязку характеристик линзы к её выпуклости или вогнутости, взявшись за разработку так называемой «металинзы», фокусное расстояние которой могло бы изменяться вместе с фазами «метаматериала». Сперва исследователи создали материал GST при помощи компонентов, встречающихся в обычных перезаписываемых компакт-дисках: германия, сурьмы и теллура. При нагревании лазерными импульсами атомная структура такого материала изменялась, переходя из кристаллического состояния в аморфное, из прозрачного становясь непрозрачным. Именно эти фазовые переходы делают возможным создание реверсивных носителей оптической записи.

Затем инженеры добавили в структуру GST селен, получив GSST. В обновлённом варианте фазовый переход также повлиял на взаимодействие метаматериала с инфракрасным светом, преобразовав его отражающую силу с минимальным влиянием на прозрачность поверхности. Наблюдая за необычными свойствами GSST, исследователи подумали, что его можно было бы адаптировать для создания активной «металинзы», которая сможет адаптировать своё фокусное расстояние в зависимости от фазы.

В ходе лабораторных испытаний инженеры произвели слой GSST толщиной всего 1 микрон и стали экспериментировать с различными формами материала, чтобы отыскать наиболее оптимальный вариант, способный изменять способ взаимодействия со светом в зависимости от температуры. «Металинзы» из GSST разместили на тестовой установке, направив на них лучи лазера, настроенного на излучения света в инфракрасном диапазоне. На некотором расстоянии от установки инженеры поместили прозрачные пластины с нанесёнными на них горизонтальными и вертикальными высококонтрастными штрихами – так называемые тест-объекты для оценки разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем.

В начальном аморфном состоянии «металинзы» легко сфокусировались на ближайшей пластине. Затем учёные нагрели метаматериал, чтобы тот обрёл чёткую кристаллическую структуру и сфокусировался на более удалённом тест-объекте. Пока что необычный материал демонстрирует способность получать чёткие изображения на двух уровнях глубины резкости без использования механических приводов. В дальнейшем исследователи планируют расширить спектр фаз материала GSST, чтобы увеличить возможности фокусировки «металинзы». Один из инженеров сравнил процесс изменения фаз в подобных материалах с приготовлением стейка. Мясо может быть не только сырым или прожаренным: существует множество промежуточных состояний – нужно только найти способ достичь их и зафиксировать результат.

По мнению исследователей, в будущем «металинзы» смогут стать привычным элементом оптической техники. В частности, от применения миниатюрных линз, не нуждающихся в дополнительных механизмах фокусировки, выиграли бы легковесные камеры для дронов, компактные тепловизоры для мобильных устройств, низкопрофильные очки ночного видения и т. п. Хотя учёным ещё только предстоит выработать идеальный «рецепт» такой линзы, они уже готовы предложить некоторые идеи, которые пригодятся для реализации «металинз». К примеру, в серийном производстве проблему нагревания линз можно будет решить внедрением интегрированных микронагревателей, изменяющих температуру материала при помощи коротких миллисекундных импульсов.

Reconfigurable all-dielectric metalens with diffraction-limited performance