Плоскую линзу, созданную в 2012 году, доработали и избавили от хроматических аберраций. За счет своей компактности она может найти широкое применение в различных оптических устройствах.

Профессиональным фотографам знаком такой термин, как «хроматические аберрации». Это нежелательные оптические эффекты, в результате которых вдоль четкого контура изображения возникают цветные ореолы. В качественных объективах такие аберрации стараются свести к минимуму, однако за это приходится платить усложнением конструкции и, как следствие, цена такой оптики существенно возрастает. Причина появления хроматических аберраций кроется в законах преломления света – это явление сродни радуге, которую мы видим после дождя.

Фото: Harvard University.

Размытый контур лепестков цветка справа вызван хроматическими аберрациями из-за несовершенства оптической системы объектива фотоаппарата. Фото: Hervé BRY/Flickr

Линза из стекла по-разному фокусирует лучи разного цвета. Это связано с различием показателя преломления материала для разных длин волн. Фото: Tekniska museet/Flickr

Слева – фотография поверхности плоской линзы с нанесенными на нее наноантеннами, полученная с помощью электронного микроскопа. Справа – характер фазового сдвига, реализуемого плоской линзой для фокусировки луча света. Фото: Francesco Aieta/Harvard Univers

Иллюстрация механизма преломления света метаповерхностью. Наноантенны реализуют фазовый сдвиг, поглощая падающий свет и излучая его с некоторой задержкой, в результате волновой фронт (красная линия) после прохождения сквозь поверхность отклоняется на опре

Когда солнечный свет проходит через капли дождя, он распадается на отдельные цвета – от красного до фиолетового. Происходит это из-за того, что для лучей разного цвета, то есть с разной длиной волны, показатель преломления не одинаков. Это явление называется дисперсией – одно и то же вещество по-разному отклоняет лучи разного цвета. В небе дисперсия солнечного света приводит к красивой радуге, а вот в оптике с дисперсией борются, как раз для того, чтобы не видеть на фотографиях радугу там, где ее быть не должно. Стеклянные линзы объектива отклоняют проходящие через них лучи света, чтобы спроецировать изображение на матрицу или фотопленку. Когда изображение «в фокусе», оно яркое и четкое, а если объектив не сфокусирован – то мы видим расплывчатую, нечеткую картину. Дисперсия света на линзах объектива приводит к тому, что для лучей разной длины волны фокусное расстояние объектива немного отличается. Например, синие лучи преломляются сильнее, чем красные, в результате положение «синего» фокуса отличается от «красного». 

В 2012 году группа физиков из университета Гарварда сконструировала линзу, да не простую, а плоскую и толщиной в 60 нм. Особенностью этой линзы стал абсолютно новый принцип работы. В обычных линзах свет проходит через прозрачное вещество и за счет этого отклоняется от первоначального направления. Причина отклонения лежит в отличии скорости света в разных материалах. Например, в стекле свет распространяется примерно в полтора раз медленнее, чем в воздухе. Вот эта самая задержка в скорости и делает линзу линзой. Гарвардская линза работает по совершенно другому механизму. На ее плоской поверхности определенным образом расположены специальные маленькие антенны размером порядка сотни нанометров. Задача этих антенн – формирование той самой задержки: они ловят лучи света, а затем их излучают, но с фазовым сдвигом. Специально подобранные форма и размер таких антенн позволяют создать эффект объемной линзы на плоскости. 

Тогда, три года назад, впервые была создана линза по такому принципу, однако у нее был целый ряд недостатков. Она могла фокусировать свет только определенной длины волны, иначе говоря, цвета, и была пригодна разве что для фокусировки лазерного излучения. И вот, после нескольких лет работы, физикам удалось существенно улучшить свойства материала, который они назвали мультиволновой ахроматической метаповерхностью. В своих первых опытах исследователи использовали наноантенны, сделанные из золота, размещая их на плоской кремниевой подложке. Однако, кремний оказался более подходящим веществом для антенн. Новый метаматериал может отклонять или фокусировать свет уже разных длин волн. В зависимости от расположения наноантенн на поверхности можно делать плоские миниатюрные призмы, линзы или использовать в качестве светофильтра. Авторы плоской металинзы получают патент на разработанную оптическую технологию и планируют, что их изобретение найдет широкое применение.

Фото:  Harvard.edu Hervé BRY/Flickr, Tekniska museet/Flickr,  Francesco Aieta/Harvard University, Nanfang Yu/Harvard University  

 По материалам Harvard.edu