Performances achromatiques de différentes lentilles simples et lentilles multicouches. (A) Schéma des métaux achromatiques multicouches (MAM) imprimés en 3D par le concepteur. (B) Schéma des lentilles optiques traditionnelles et plates (y compris la lentille de Fresnel, la lentille diffractive multiniveau (MDL) et les métaux) avec des couches simples et multicouches. (C) Evolution des points focaux aux longueurs d’onde de 400, 533 et 800 nm lorsque des couches supplémentaires sont ajoutées (les résultats proviennent d’une conception optimisée à trois couches de 0,5-NA MAM). (D) Les efficacités, les ouvertures numériques et les bandes passantes (fonctionne dans la bande visible) de diverses lentilles métalliques achromatiques. La barre de couleur et la taille du marqueur représentent le chiffre ou le mérite défini comme la racine carrée de la somme des carrés d'efficacité, de NA et de bande passante. Les plans gris indiquent les limites précédentes à bande passante = 300 nm et NA = 0,35. Les valeurs NA de chaque métal sont illustrées dans la légende. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adj9262
Les optiques plates sont constituées de nanostructures contenant des matériaux à indice de réfraction élevé pour produire des lentilles aux facteurs de forme fins qui fonctionnent uniquement à des longueurs d'onde spécifiques.
Les scientifiques des matériaux ont récemment tenté de créer des lentilles achromatiques afin de découvrir un compromis entre l'ouverture numérique et la bande passante qui limite les performances de ces matériaux. Dans ce travail, Cheng-Feng Pan et une équipe de scientifiques en développement de produits d'ingénierie, en technologies de l'information et en génie informatique à Singapour et en Chine ont proposé une nouvelle approche pour concevoir des lentilles métalliques achromatiques multicouches à haute ouverture numérique, à large bande et insensibles à la polarisation.
Les scientifiques des matériaux ont combiné l'optimisation de la topologie et les simulations pleine longueur d'onde pour concevoir inversement les lentilles métalliques à l'aide de la lithographie à deux photons. L’équipe de recherche a démontré les performances d’imagerie à large bande des structures artificielles sous une lumière blanche et des illuminations à bande étroite rouge, verte et bleue.
Les résultats ont mis en évidence la capacité des structures multicouches imprimées en 3D à réaliser des métadispositifs à large bande et multifonctionnels. Les résultats sont désormais publiés sur Avancées scientifiques et figurent sur la page de couverture de la revue.
Performances d'imagerie
Les progrès récents dans les lentilles métalliques à l'échelle micro et macro se sont révélés importants pour obtenir des performances d'imagerie remarquables adaptées à une variété d'applications dans les domaines de l'imagerie par champ lumineux, de la bioanalyse, de la médecine et des technologies quantiques. Par exemple, les lentilles achromatiques présentent des réponses à large bande pour capturer des informations sur les couleurs, afin d'élargir les possibilités de conception et les scénarios d'application des dispositifs photoniques.
De telles constructions sont ultra-compactes, ultra-minces, légères et bien adaptées pour fabriquer des lentilles métalliques convaincantes pour les systèmes d’imagerie. La plupart des lentilles métalliques sont cependant conçues dans des matériaux à indice de réfraction élevé pour fournir un bon contrôle optique, avec une lumière forte qui rend la mise en œuvre à large bande difficile.
Les physiciens ont montré le nombre d'Abbe comme une valeur de mérite dans la conception de lentilles pour représenter un matériau transparent sans dispersion couramment utilisé pour les matériaux à indice de réfraction élevé et comme formule pour réaliser une lentille de focalisation à haute efficacité.
Optimisation de la topologie du MAM avec différents numéros de couches et distances d'espacement. (A) Modèle de conception et schéma de la région d’optimisation avec les paramètres indiqués décrits dans le texte. (B) Relations de l’intensité normalisée avec le numéro de couche et la distance d’espacement. Avec le plan inverse, le meilleur cas se situe à (l, sp) = (3, 1,6 μm). (C) Schéma des approximations d’arrondi des bords et de lissage de surface à différents niveaux, conception initiale (i), niveau 1 en arrondissant le haut (ii). Le niveau 2 est généré en appliquant une interpolation de tolérance relative de 10 nm au vecteur hauteur d'origine (iii), et le niveau 3 est généré en appliquant une interpolation relative de 25 nm (iv). (D) Calculé FWHM (i), efficacité (ii) et position de l’intensité focale maximale le long de l’axe de propagation (iii) pour différents niveaux. L'efficacité (ii) est calculée au plan focal correspondant à l'intensité focale maximale. (E) Images SEM à vue inclinée du MAM fabriqué avec 0,5 NA : (i) MAM déconstruit montrant des couches simples, doubles et triples (complètes) ; (ii) vue agrandie du MAM complet ; (iii) vue de dessus et taille du MAM ; et (iv et v) MAM sectionné révélant la structure interne et les détails des structures annulaires de 200 nm de large. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adj9262
La méthode d'impression 3D
L’équipe de recherche a relevé les défis de fabrication sous-jacents aux lentilles métalliques achromatiques multicouches en utilisant l’impression tridimensionnelle. La méthode d’impression 3D à l’échelle nanométrique a permis de modeler une lentille multicouche en une seule étape lithographique pour prototyper rapidement des structures complexes. Grâce à la polymérisation à deux photons, les scientifiques ont réalisé diverses conceptions 3D, notamment des microlentilles complexes, des lentilles à gradient d'indice et des lentilles diffractives.
Dans ce travail, Pan et ses collègues ont utilisé l'optimisation de la topologie pour obtenir un comportement de lentille achromatique. Ils ont rapidement obtenu une structure stable, multicouche et haute résolution.
Les lentilles métalliques achromatiques multicouches résultantes ont montré des niveaux de performances efficaces jusqu'alors inconnus pour intégrer les avantages de l'impression 3D haute résolution à l'échelle nanométrique afin de créer des lentilles métalliques avec des performances exceptionnelles pour inspirer un nouveau paradigme pour concevoir et fabriquer des éléments et dispositifs optiques multifonctionnels à large bande.
Conception de lentilles métalliques achromatiques multicouches et résultats expérimentaux
Efficacité de la mise au point et performances d'imagerie du MAM. (A) Comparaison de l’expérience et des efficacités de focalisation à large bande simulées pour les MAM avec NA de 0,5 et 0,7 au même plan focal défini par NA. (B) Comparaison de l’expérience et du FWHM à large bande simulé pour les MAM avec NA de 0,5 et 0,7 au même plan focal défini par NA. (C) Images optiques du nombre « 3 » dans le groupe 6, élément 3 de la cible de résolution USAF 1951 capturées via le MAM 0,5-NA sous lumière blanche et appliquées en bleu (450 nm), vert (532 nm) et rouge (633 nm) filtres. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adj9262
La principale différence entre les lentilles métalliques multiniveaux et les lentilles diffractives multiniveaux réside dans la taille du plus petit élément.
Par exemple, même si la taille minimale des entités peut être conçue pour s'adapter à une dimension spécifique, des simulations pleine onde sont nécessaires pour tenir compte des interactions et de la diffusion entre les couches. En utilisant des étapes de filtrage et de binarisation, les chercheurs ont transformé la structure conçue en une véritable construction.
L’équipe a soumis les échantillons à une optimisation topologique et les a formés à l’aide du système d’impression 3D photonique professionnel Nanoscale GmbH, avec un faisceau focalisé par galvo-balayage pour induire la réticulation d’une résine liquide en un voxel solide à l’échelle nanométrique au niveau du point focal.
Les scientifiques ont optimisé la méthode de fabrication pour obtenir un prototype proche de la conception normale et ont évalué la qualité d'imagerie du produit en le plaçant sur une cible de résolution avec une distance d'espacement de trois fois la distance focale des objectifs.
Les lentilles métalliques conçues ont bien fonctionné sous la lumière blanche pour les applications d'imagerie achromatique afin de montrer la capacité inégalée des lentilles métalliques à éliminer les aberrations chromatiques. Les scientifiques ont optimisé les paramètres pour montrer comment les lentilles métalliques achromatiques multicouches présentaient une efficacité de focalisation élevée avec des performances à large bande et une optimisation topologique pour réaliser avec précision les lentilles métalliques conçues avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique.
Perspectives
De cette manière, Cheng-Feng Pan et l’équipe de recherche ont développé un système métallique multicouche et ont considéré chaque couche comme un correcteur achromatique et un élément de focalisation. Les résultats ont montré comment les métasurfaces empilées basées sur des matériaux à faible indice de réfraction ont surmonté les limites de l'optique plate monocouche pour étendre les performances des lentilles métalliques aux fonctions à large bande tout en préservant l'ouverture numérique élevée.
L'utilisation de méthodes d'impression 3D à plus haute résolution et de résines à indice de réfraction élevé contribuera à un système optique multifonctionnel accru qui fonctionne avec une plage de réponse à large bande au-delà de la plage visible pour contenir une plage infrarouge proche ou moyenne.
Plus d'information:
Cheng-Feng Pan et al, structures multicouches imprimées en 3D pour des lentilles métalliques achromatiques à haute ouverture numérique, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj9262
Ren Jie Lin et al, Réseau de métaux achromatiques pour l'imagerie en champ lumineux en couleur, Nature Nanotechnologie (2019). DOI : 10.1038/s41565-018-0347-0
© 2023 Réseau Science X
Citation: Structures multicouches imprimées en 3D pour lentilles achromatiques à haute ouverture numérique (29 décembre 2023) récupéré le 31 décembre 2023 sur
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