Aktive Metaoberflächen, deren optische Eigenschaften nach der Herstellung angepasst werden können, sind in den letzten Jahren zu einem Interessensgebiet geworden. Bisherige Bemühungen sind jedoch immer noch mit erheblichen Leistungseinschränkungen in Bezug auf Abstimmbereich, optische Qualität und Effizienz verbunden, insbesondere bei nichtmechanischen Geräten.
Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology haben adaptive "Metalllinsen" entwickelt, mit denen die Linsen von Kameras, Mikroskopen, Teleskopen und anderen Bildgebungssystemen ohne Verwendung sperriger Antriebsmechanismen effizienter fokussiert werden können.
Transparentes Glas mit zwei lichtbrechenden polierten Oberflächen ist seit vielen Jahrhunderten die Basis der meisten optischen Systeme. Der Grad der Konkavität oder Konvexität der Linsenoberflächen ermöglicht es Ihnen, alle Arten von Objekten zu sehen, von einer winzigen Zelle bis zu einer entfernten, entfernten Galaxie. Um jedoch ein klares Bild von Objekten jeder Größenordnung zu erhalten, muss auf die physische Bewegung des Objektivs zurückgegriffen werden, indem zusätzliche Mechanismen verwendet werden, die viel Platz beanspruchen und das Gerät schwerer machen, sei es eine Kamera, ein Mikroskop oder ein Teleskop.
Die Forscher gravierten die Oberfläche des Materials mit winzigen, präzise strukturierten Strukturen, die als Metaoberfläche zusammenarbeiten und das Licht auf einzigartige Weise brechen oder reflektieren. Wenn sich die Materialeigenschaften ändern, ändert sich die optische Funktion der Metaoberfläche entsprechend. In diesem Fall fokussiert die Metaoberfläche bei Raumtemperatur das Licht, um ein klares Bild des Objekts in einer bestimmten Entfernung zu erzeugen. Nach dem Erhitzen des Materials ändert sich seine Atomstruktur, und als Reaktion darauf lenkt die Metaoberfläche das Licht um, um sich auf ein weiter entferntes Objekt zu konzentrieren.
Somit kann die neue aktive Metalllinse den Fokus einstellen, ohne dass sperrige mechanische Elemente erforderlich sind. Das neue Design, das derzeit Infrarotbilder ermöglicht, könnte flexiblere optische Geräte wie Miniatur-Wärmebildkameras für Drohnen, ultrakompakte Wärmebildkameras für Mobiltelefone und Nachtsichtbrillen mit niedrigem Profil ermöglichen.
Phasenübergänge
Das neue Objektiv besteht aus einem phasenverschiebenden Material, das das Team hergestellt hat, indem es das Material angepasst hat, das üblicherweise für wiederbeschreibbare CDs und DVDs verwendet wird. Als GST bezeichnet, besteht es aus Germanium, Antimon und Tellur und seine innere Struktur ändert sich von kristallin zu amorph, von transparent zu undurchsichtig, wenn es durch Laserpulse erhitzt wird. Es sind diese Phasenübergänge, die es ermöglichen, reversible optische Aufzeichnungsmedien zu erzeugen. Mit diesem Mechanismus können Sie auf CDs gespeicherte Daten schreiben, löschen und überschreiben.
Änderung der Brennweite im amorphen und kristallinen Zustand des Materials
Die Ingenieure fügten dann der Struktur der GST Selen hinzu, was zur GSST führte. In der aktualisierten Version beeinflusste der Phasenübergang auch die Wechselwirkung des Metamaterials mit Infrarotlicht und wandelte seine Reflexionskraft mit minimalem Einfluss auf die Transparenz der Oberfläche um. Die Forscher beobachteten die ungewöhnlichen Eigenschaften von GSST und dachten, es könnte angepasst werden, um aktive "Metalle" zu erzeugen, die ihre Brennweite je nach Phase anpassen können.
GSST unter dem Mikroskop
In Labortests stellten die Ingenieure eine nur 1 Mikrometer dicke GSST-Schicht her und experimentierten mit verschiedenen Materialformen, um die optimale Option zu finden, mit der sich die Art und Weise, wie sie mit Licht interagiert, je nach Temperatur ändern kann. Die "Metalllinsen" von GSST wurden mit einem Laser, der so eingestellt war, dass er Licht im Infrarotbereich emittierte, auf einen Prüfstand gestellt. In einiger Entfernung von der Installation platzierten die Ingenieure transparente Platten mit horizontalen und vertikalen kontrastreichen Strichen - den sogenannten Testobjekten zur Beurteilung der Auflösung digitaler optoelektronischer Systeme.
Im amorphen Anfangszustand fokussierten sich die "Metalle" leicht auf die nächste Platte. Die Wissenschaftler erhitzten das Metamaterial dann so, dass es eine klare Kristallstruktur erhielt und sich auf ein weiter entferntes Testobjekt konzentrierte. Bisher zeigt das ungewöhnliche Material die Fähigkeit, gestochen scharfe Bilder in zwei Tiefenschärfestufen ohne den Einsatz mechanischer Antriebe aufzunehmen. In Zukunft planen die Forscher, den Phasenbereich des GSST-Materials zu erweitern, um die Fokussierungsfähigkeiten der "Metalle" zu erhöhen. Einer der Ingenieure verglich den Prozess des Phasenwechsels in ähnlichen Materialien wie beim Kochen von Steak. Fleisch kann nicht nur roh oder gebraten sein: Es gibt viele Zwischenzustände - Sie müssen nur einen Weg finden, um sie zu erreichen und das Ergebnis zu korrigieren.
Experimente zeigen, dass die Metalllinse den Fokus ohne mechanische Bewegung aktiv ändern kann. Die Forscher sagen, dass die Metalllinse möglicherweise mit eingebauten Mikroheizungen hergestellt werden könnte, um das Material schnell in kurzen Millisekundenimpulsen zu erwärmen. Durch Ändern der Heizbedingungen können sie sich auch auf Zwischenzustände anderer Materialien einstellen und so eine kontinuierliche Fokuseinstellung ermöglichen.
Weitere Details: www.nature.com/articles/s41467-021-21440-9