Logam Permukaan Datar Harvard Menghilangkan Penyimpangan Kromatik, Merevolusi Realitas Virtual

• Peneliti Harvard telah mengembangkan logam yang dapat memfokuskan semua spektrum cahaya tampak pada satu titik tertentu dalam resolusi tinggi.
• Ia menggunakan nanofin titanium dioksida yang memfokuskan semua panjang gelombang cahaya secara merata, sehingga menghilangkan aberasi kromatik.
• Metalens membuka berbagai kemungkinan baru, termasuk aplikasi dalam litografi, mikroskop, endoskopi, realitas virtual dan campuran.

Metalens adalah lensa permukaan datar yang menggunakan struktur nano untuk memfokuskan cahaya. Lensa ini memiliki potensi untuk menggantikan lensa tebal dan melengkung yang sudah ada. Namun, spektrum cahayanya masih terbatas sehingga dapat fokus secara akurat.

Para peneliti di Sekolah Teknik dan Sains Terapan Harvard John A.Paulson telah menciptakan logam baru yang cukup mampu memfokuskan semua spektrum cahaya tampak di satu tempat tertentu dalam resolusi tinggi. Sejauh ini, hal ini hanya dapat dilakukan dengan menumpuk dua atau lebih lensa tradisional.

Hal ini membawa para peneliti selangkah lebih dekat untuk menggabungkan lensa tipis ke dalam perangkat optik biasa maupun canggih termasuk kamera, perangkat Augmented dan Virtual Reality. Mari kita cari tahu secara detail bagaimana peneliti Harvard berhasil mencapai pencapaian ini.

Rintangan

Sangat sulit untuk memfokuskan seluruh spektrum cahaya tampak (termasuk warna putih) pada satu titik, terutama karena panjang gelombang yang berbeda merambat dengan kecepatan berbeda melalui material. Misalnya, cahaya biru akan bergerak lebih lambat dibandingkan cahaya merah, sehingga kedua warna ini akan sampai pada titik tertentu pada waktu yang berbeda, sehingga membuat fokusnya berbeda dan mendistorsi gambar. Distorsi ini disebut penyimpangan kromatik.

Untuk menyesuaikan aberasi ini, semua perangkat optik menggunakan dua atau lebih lensa melengkung dengan ketebalan berbeda, sehingga menambah ukuran instrumen.

Metalense dan Desain

Metalense memiliki beberapa keunggulan dibandingkan lensa konvensional – mudah dibuat, tipis, dan hemat biaya. Tim peneliti telah memanfaatkan keunggulan ini di seluruh spektrum cahaya tampak.

Metalen baru ini menggunakan nanofin titanium dioksida yang memfokuskan semua panjang gelombang cahaya secara merata, sehingga menghilangkan aberasi kromatik. Untuk melakukan hal ini, para peneliti mengambil beberapa ide dari penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa panjang gelombang yang berbeda dapat difokuskan pada titik tertentu dengan menyesuaikan lebar, tinggi, jarak, dan bentuk nanofin.

Mikroskop elektron menampilkan tampak samping logam, batang skala – 200 nm | Lab Capasso/LAUT Havard

Dalam desain baru, nanofin berpasangan secara bersamaan mengontrol kecepatan panjang gelombang yang berbeda, dan indeks bias permukaan logam. Hal ini memberikan penundaan waktu yang bervariasi pada panjang gelombang yang melewati sirip yang berbeda, sehingga semua cahaya tiba di titik fokus pada saat yang sama.

Kecepatan cahaya dalam material berstruktur nano dapat disesuaikan dengan menggabungkan dua nanofin menjadi satu elemen. Lensa ini secara signifikan mengurangi ketebalan dan kompleksitas desain dibandingkan dengan lensa akromatik.

Secara khusus, tim telah mendemonstrasikan pemfokusan dan pencitraan akromatik terbatas difraksi dari 470 hingga 760 nanometer. Metalen baru ini hanya berisi satu lapisan struktur nano dengan ketebalan urutan panjang gelombang, dan tidak melibatkan multiplexing atau cascading spasial.

Prinsip desain yang sama dapat diterapkan pada wilayah lain dalam spektrum elektromagnetik. Mewujudkan metalense akromatik dengan diameter lebih besar dan lubang numerik lebih besar memerlukan rentang penundaan kelompok yang lebih luas yang didukung oleh beberapa kombinasi nanofin dengan dimensi berbeda. Hal ini dapat diwujudkan dengan teknik dispersi yang berbeda atau hanya dengan meningkatkan tinggi nanofin.

Logam Datar | Kredit gambar:Jared Sisler/Harvard SEAS

Dalam penelitian ini, struktur nano titanium dioksida telah ditunjukkan dengan tinggi sekitar 4,5 mikrometer yang setara dengan penundaan kelompok sekitar 37 femtodetik (10−15 detik).

Referensi:Nanoteknologi Alam | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | LAUT Harvard

Lapisan metalens yang berjenjang dapat semakin meningkatkan penundaan kelompok, sehingga memberikan tingkat kebebasan tambahan untuk mengoreksi penyimpangan monokromatik dalam bidang pandang yang luas. Sekali juga dapat menggabungkan logam yang berfungsi sebagai korektor aberasi dengan lensa sferis bias.

Tampaknya menjanjikan karena seseorang dapat mengoreksi aberasi kromatik dan monokromatik pada lensa sferis secara bersamaan, sekaligus memanfaatkan manfaat bukaan lensa yang lebih besar dan pergeseran panjang fokus kromatik yang kecil.

Apa Selanjutnya?

Harvard telah melisensikan teknologi tersebut kepada sebuah perusahaan rintisan untuk mengembangkannya pada tingkat komersial, dan telah melindungi kekayaan intelektual proyek tersebut.

Baca:Insinyur Masukkan Otak Cacing ke Dalam Robot Kecil | Dan Berhasil.

Penelitian kini bertujuan untuk meningkatkan diameter lensa hingga 1 sentimeter, yang dapat membuka berbagai kemungkinan baru, termasuk penerapan dalam litografi, mikroskop, endoskopi, realitas virtual, dan realitas campuran.