3D-gedruckte Mehrschichtstrukturen für achromatische Linsen mit hoher numerischer Apertur

Flache Optiken bestehen aus enthaltenden Nanostrukturen Materialien mit hohem Brechungsindex um Linsen mit dünnen Formfaktoren herzustellen, die nur bei bestimmten Wellenlängen funktionieren.

Materialwissenschaftler haben kürzlich versucht, achromatische Linsen zu entwickeln, um einen Kompromiss zwischen numerischer Apertur und Bandbreite aufzudecken, der die Leistung solcher Materialien einschränkt. In dieser Arbeit schlugen Cheng-Feng Pan und ein Team von Wissenschaftlern aus den Bereichen technische Produktentwicklung, Informationstechnologie und Computertechnik in Singapur und China einen neuen Ansatz zum Entwurf von breitbandigen und polarisationsunempfindlichen mehrschichtigen achromatischen Metalenses mit hoher numerischer Apertur vor.

Die Materialwissenschaftler kombinierten Topologieoptimierung und Vollwellenlängensimulationen, um die Metallensembles invers zu entwerfen Zwei-Photonen-Lithographie. Das Forschungsteam demonstrierte die Breitband-Bildgebungsleistung der konstruierten Strukturen unter weißem Licht und roter, grüner und blauer Schmalbandbeleuchtung.

Die Ergebnisse verdeutlichten die Fähigkeit der 3D-gedruckten mehrschichtigen Strukturen, breitbandige und multifunktionale Metageräte zu realisieren. Die Ergebnisse werden nun auf veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte und werden auf der Titelseite der Zeitschrift vorgestellt.

Bildleistung

Jüngste Fortschritte bei Metallsensoren im Mikro- und Makromaßstab haben gezeigt, dass sie für die Erzielung einer bemerkenswerten Bildgebungsleistung wichtig sind, die für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Lichtfeldbildgebung, Bioanalyse, Medizin und Quantentechnologie geeignet ist. Beispielsweise zeigen achromatische Objektive breitbandige Reaktionen zur Erfassung von Farbinformationen, um die Gestaltungsmöglichkeiten und Anwendungsszenarien zu erweitern Photonische Geräte.

Solche Konstrukte sind ultrakompakt, ultradünn, leicht und eignen sich gut für die Herstellung überzeugender Metalenses bildgebende Systeme. Die meisten Metalenses sind jedoch hochgemustert Brechungsindex Materialien sorgen für eine gute optische Kontrolle und ein starkes Licht, das eine Breitbandimplementierung schwierig macht.

Physiker haben das gezeigt Abbe-Zahl als Gütefaktor im Linsendesign zur Darstellung eines dispersionsfreien transparenten Materials, das üblicherweise für Materialien mit hohem Brechungsindex verwendet wird, und als Formel zur Realisierung einer hocheffizienten Fokussierungslinse.

Die 3D-Druckmethode

Das Forschungsteam hat die Herstellungsherausforderungen, die mehrschichtigen achromatischen Metalenses zugrunde liegen, durch den Einsatz des dreidimensionalen Drucks gelöst. Das nanoskalige 3D-Druckverfahren ermöglichte die Strukturierung einer mehrschichtigen Linse in einem lithografischen Schritt, um schnell Prototypen komplexer Strukturen zu erstellen. Mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation realisierten die Wissenschaftler eine Vielzahl von 3D-Designs, darunter komplexe Mikrolinsen, Gläser mit GradientenindexUnd Beugungslinsen.

In dieser Arbeit nutzten Pan und Kollegen die Topologieoptimierung, um ein achromatisches Linsenverhalten zu erreichen. Sie erreichten schnell eine stabile, mehrschichtige und hochauflösende Struktur.

Die resultierenden mehrschichtigen achromatischen Metalllinsen zeigten ein bisher unbekanntes Maß an effizienter Leistung, um die Vorteile des hochauflösenden 3D-Drucks im Nanomaßstab zu integrieren und Metalllinsen mit außergewöhnlicher Leistung zu schaffen, die ein neues Paradigma für die Entwicklung und Herstellung multifunktionaler breitbandiger optischer Elemente und Geräte inspirieren.

Entwurf mehrschichtiger achromatischer Metalllinsen und experimentelle Ergebnisse

Der Hauptunterschied zwischen mehrstufigen Metalllinsen und mehrstufigen diffraktiven Linsen besteht in der Größe der Linsen kleinstes Merkmal.

Während beispielsweise die minimale Strukturgröße so gestaltet werden kann, dass sie einer bestimmten Dimension entspricht, sind Vollwellensimulationen erforderlich, um Wechselwirkungen und Streuungen zwischen den Schichten zu berücksichtigen. Mithilfe von Filter- und Binarisierungsschritten verwandelten die Forscher die entworfene Struktur in ein reales Konstrukt.

Das Team unterzog die Proben einer Topologieoptimierung und formte sie mithilfe von Photonisches professionelles 3D-Drucksystem der Nanoscale GmbHmit einem galvogescannten fokussierten Strahl, um die Vernetzung eines flüssigen Harzes zu einem nanoskaligen festen Voxel am Brennpunkt zu induzieren.

Die Wissenschaftler optimierten die Herstellungsmethode, um einen Prototyp zu erhalten, der dem normalen Design nahe kam, und beurteilten die Abbildungsqualität des Produkts, indem sie es auf einem Auflösungsziel mit einem Abstand von 1,5 mm platzierten dreimal so groß wie die Brennweite der Objektive.

Die konstruierten Metalllinsen zeigten unter weißem Licht eine gute Leistung bei achromatischen Bildgebungsanwendungen und zeigten die unübertroffene Fähigkeit der Metalllinsen, chromatische Aberrationen zu entfernen. Die Wissenschaftler optimierten die Parameter, um zu zeigen, wie die mehrschichtigen achromatischen Metalenses eine hohe Fokussierungseffizienz mit Breitbandleistung und topologischer Optimierung zeigten, um die entworfenen Metalenses mit nanoskaligen Merkmalen präzise zu realisieren.

Ausblick

Auf diese Weise entwickelten Cheng-Feng Pan und das Forschungsteam ein mehrschichtiges Metalllinsensystem und betrachteten jede Schicht als achromatisches Korrektur- und Fokussierungselement. Die Ergebnisse zeigten, wie die gestapelten Metaoberflächen, die auf Materialien mit niedrigem Brechungsindex basieren, die Grenzen einschichtiger flacher Optiken überwunden haben, um die Leistung der Metalenses auf Breitbandfunktionen zu erweitern und gleichzeitig die hohe numerische Apertur beizubehalten.

Der Einsatz von 3D-Druckverfahren mit höherer Auflösung und Harzen mit hohem Brechungsindex wird zu einem erweiterten, multifunktionalen optischen System beitragen, das mit einem breitbandigen Reaktionsbereich über den sichtbaren Bereich hinaus funktioniert ein naher oder mittlerer Infrarotbereich.

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