پژوهش‌گران آمریکایی و کانادایی عدسی‌های فراسطح فوق‌ باریک، تخت و با بازده بالا ساختند که نور را در مکان‌هایی کوچک‌تر از طول موج متمرکز می‌کنند. این وسیله (که تصاویری در حد تصاویر عدسی‌های تجاری سطح بالا تولید می‌کند)، به روش صنعتی ساخته شده و می‌تواند در تصویربرداری‌های لیزری، میکروسکوپی و طیف‌نگاری استفاده شود. در صورتی که پیشرفت‌های بیتشری یابند می‌توانند در دوربین‌های تلفن‌ همراه و دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی (مانند ساعت، عینک و ...) مورد استفاده قرار گیرند.

دریایی از پره‌ها: فراعدسی‌ها با نانوپره‌های تیتانیوم-اکسید

در اپتیک، اصل فرما که بر عملکرد عدسی‌ها حاکم است، می‌گوید نور مسیری را طی می‌کند که کم‌ترین فاز را انباشته کند. در مناطقی با ضریب شکست بالاتر به سمت خط قائم بر سطح منحرف می‌شود تا مسافت کوتاه‌تری را پیموده که در آن‌جا طول موج کوتاه‌تر است و فاز سریع‌تر انباشته می‌شود. هم‌چنان که موج انتشار می‌یابد، فاز بصورت پیوسته انباشته می‌شود، بنابراین لازم است ضخامت عدسی به میزان محدودی باشد تا فاز موج به قدر کافی انباشته شده و آن‌چنان که مد نظرمان است، تغییر جهت دهد.

تعیین جهت ناپیوسته

با این حال، در سال 2011، فردریکو کاپاسو و هم‌کارانش در دانشگاه هاروارد نشان دادند که اگر فاز امواج نوری بتواند به طور ناپیوسته تغییر کند، می‌توان با استفاده از یک سطح تخت، نور را به هر صورتی که بخواهیم تغییر جهت دهیم. این نتیجه از پژوهش ابتدایی آن‌ها و با استفاده از آنتن‌های فلزی تشدید که به طور مستقیم با میدان الکتریکی نور تداخل یافته بوده، به دست آمد. اما تولید این آنتن‌ها دشوار بوده و بازده پایینی داشت.

پژوهش‌گران نشان داده‌اند که ناپیوستگی‌های فاز را با استفاده از عناصر کوچکی که از سیلیکون ساخته‌ شده‌اند و کوچک‌تر از طول موج هستند، نیز می‌توان ایجاد کرد. این اتفاق، با ایجاد تغییری در قطبش وابسته به مکان نور، هنگام عبور از عناصر، تغییری را در فاز امواج نوری به وجود می‌آورد که فاز Pancharatname-Berry نام دارد. تولید این عناصر ساده‌تر است و نور مرئی انتقال‌یافته را با بازده بهتری متمرکز می‌کند، اما برای آن‌که تبدیل به عدسی تجاری بادوامی شود، هم‌چنان نور بسیار زیادی را جذب یا بازتاب می‌کند.

حال گروه کاپاسو برای ساخت این «نانوپره‌ها» (نانوفین) روش جدیدی را ابداع کرده‌اند که در آن از لیتوگرافی باریکه الکترون برای طرح‌بندی یک مقاومت، پیش از لایه‌نشانی یک لایه بسیار نازک از تیتانیوم اکسید استفاده می‌شود که طول موج‌های مرئی را بسیار بهتر از سیلیکون، به سوی مقاومت عبور می‌دهد تا یک فراسطح ایجاد گردد. پژوهش‌گران تکنیک‌های خود را برای ساخت فراعدسی تیتانیوم اکسید به کار گرفتند تا نور را با طول موج‌های مختلف مرئی متمرکز کنند.

نانوپره‌های تیتانیومی

بازده متمرکزسازی فراعدسی‌ها برای نور مرئی بی‌سابقه بود: عدسی طراحی‌شده برای نور 405 نانومتر (بنفش‌رنگ) 86 درصد نور فرودی را متمرکز می‌کرد. این عدسی‌ها روزنه‌های عددی بالاتری نسبت به فراعدسی‌های پیشین دارند که این امکان را فراهم می‌کند که نور را از زاویه وسیع‌تری به یک نقطه واحد متمرکز  کنند. این امر به نوبه خود فواصل کانونی ایجاد می‌کند که کوچک‌تر از طول موج نور، و کوچک‌تر از فواصل کانونی نمونه‌های دارای چندین عدسی شکست، و قابل ساخت با جدیدترین فن‌آوری‌ها و با اهداف تجاری است.

علاوه بر این، پژوهش‌گران برای اولین بار تصویربرداری با فراعدسی‌ها را در محدوده مرئی به نمایش گذاشتند و نشان دادند می‌توانند تصاویری با بزرگ‌نمایی بالا از چندین شی آزمون مختلف تولید کنند و مشکل مواردی را که به اندازه یک طول موج فاصله داشتند، حل کنند. عدسی این گروه مشکل خیلی زیادی در زمینه خطای رنگی داشت، این موضوع در کاربردهای فنی نظیر تصویربرداری میکروسکوپی با نور لیزر تک‌فام مشکل مهمی قلمداد نمی‌شود، اما برای کاربری‌های مصرفی مانند عدسی‌های دوربین مشکل‌ساز است. خوشبختانه، کاپاسو و هم‌کارانش در سال 2011 نشان دادند که فراسطح سیلیکونی که با اهداف راهبردی طراحی شده است می‌تواند چندین طول موج فروسرخ را در یک نقطه واحد متمرکز کند و کاپاسو بر این باور است که این مورد برای طول موج‌های مرئی نیز قابل پیاده‌سازی است. او می‌گوید: «این کار را قطعاً با اکسید تیتانیوم نیز انجام خواهیم داد، فقط معلوم نیست چه زمانی به نتیجه برسیم. معتقدیم می‌توانیم عدسی‌های خود را جایگزین عدسی‌های معمول در بسیاری از دوربین‌ها کنیم تا با وسیله‌ای کوچک‌تر، ارزان‌تر و باریک‌تر به همان عملکرد عدسی‌های قبلی برسیم».

Andrea Alù از دانشگاه تگزاس در آستین که در این پژوهش شرکت نداشت، از این روی‌داد اظهار شگفتی و خوشحالی کرد. او به physicsworld.com گفت: «طی چند سال اخیر با مجموعه مقالاتی در خصوص فراسطح‌ها روبه‌رو شدیم و همیشه این سوال وجود داشت ‹بازده آن چقدر است؟ می‌توانیم این کار رقابتی را با ادوات اپتیکی شناخته‌شده انجام دهیم؟›» این مقاله به برخی از این سوالات پاسخ می‌دهد: می‌گوید که حقیقتاً می‌توانیم فراسطح‌های بزرگی بسازیم که هم‌چنان بسیار نازک بوده و دی‌الکتریک هستند، بنابراین اتلاف اندکی دارند، و هم‌چنین می‌توانیم روزنه عددی بزرگی ایجاد کنیم و به این صورت نتیجه کار خود را با نمونه‌های موجود که با جدیدترین فن‌آوری‌ها ساخته شده‌اند، مقایسه کنیم».

با این حال خاطرنشان کرد تغییر فاز Pancharatname-Berry به‌طور ذاتی وابسته به قطبش است و اندازه‌گیری بازده توسط کاپاسو با استفاده از نور کاملاً قطبیده انجام شده است. او توضیح داد «نمی‌توانید این عدسی را همین حالا در دوربین آیفون قرار دهید و انتظار داشته باشید که با نور محیطی کار کند. حدس می‌زنم بتوانید از آن‌ها در فیلترها استفاده کنید که با این کار بازده از دست می‌رود».

این پژوهش در Science منتشر شده است.

نویسنده: تیم ووگان علمی‌نویس نشریه در بریتانیا.

منبع: High-efficiency flat lenses shrink down to the nanoscale

مرجع: Metalenses at visible wavelengths