Nastąpił przełom w pracach nad płaskimi supercienkimi soczewkami

Ludzie z instytutu inżynierii i nauk stosowanych na Uniwersytecie Harvarda (SEAS) od wielu lat w pocie czoła pracują nad technologią metamateriałową, która ma zaowocować komercyjnie dostępnymi supercienkimi płaskimi soczewkami. Zdolnymi ogniskować nie tylko konkretne, długości fal elektromagnetycznych, ale również pewne zakresy, co uczyniłoby je jeszcze bardziej przydatnymi w codziennych zastosowaniach.

W 2012 roku poruszaliśmy się w świecie częstotliwości terahercowych. W ubiegłym roku, w lutym, harvardzkie periodyki donosiły o coraz lepszych wynikach w ogniskowaniu za pomocą płaskich metasoczewek światła widzialnego. Ciągle jednak był to niewystarczająco szeroki zakres fal elektromagnetycznych, a my zastanawialiśmy się, kiedy uda się opracować płaską soczewkę, która radzi sobie z całym spektrum światła widzialnego - od czerwieni do koloru niebieskiego.

Przełom w pracach nad soczewkami z metamateriałów

I oto na początku 2018 roku, niejako na potwierdzenie, że może to być dobry rok dla nauki, dowiadujemy się, że ten arcyważny, ale na pewno nie jedyny, problem udało się wyeliminować. Podstawy rozwiązania są podobne jak wcześniej (tam też odsyłamy po więcej informacji), czyli mamy jedną warstwę nanostruktur, ale konieczne były daleko idące (i zbyt skomplikowane, by wyjaśnić je w kilku zdaniach) zmiany w układzie słupków z dwutlenku tytanu. Te słupki to struktury w nanoskali, co pozwala tworzyć soczewki nawet 100 tysięcy razy cieńsze niż w przypadku stosowania zwykłego szkła.

Wspomniana metasoczewka radzi sobie z eliminacją aberracji chromatycznej, przy jednoczesnym skupianiu światła białego. Czy równie dobrze jak struktury ze szkła? To jeszcze otwarta kwestia. Zakres długości fal, dla których metasoczewka pracuje skutecznie, wynosi od 470 do 670 nm (poprzednio było to od 490 do 550 nm), a więc teoretycznie jest jeszcze co poprawiać. Dotyczy to również wydajności układu optycznego - na razie, dla długości fal 500 nm (światło o barwie szmaragdowej) jest to 20%.

Niemniej to bardzo ważny krok ku faktycznie przydatnym soczewkom o rozmiarach rzędu 1 centymetra - taki cel na początek wyznaczył sobie zespół SEAS.

Ponieważ technologia jest już bardzo zaawansowana, należy spodziewać się prób jej komercjalizacji. I tak uczynił SEAS nawiązując współpracę z firmą, która zajmie się wprowadzeniem produktu na rynek.

Płaskie soczewki i co z tego wyniknie

Czy metasoczewki, albo co brzmi dobitniej, płaskie soczewki, oznaczają, że czeka nas świat płaskich urządzeń, a smartfony staną się tak płaskie jak to tylko możliwe? Elementy optyczne to nie jedyne składniki urządzeń elektronicznych, ale wiemy też, że prowadzone są prace nad miniaturyzacją tych innych (zasilania, elektroniki sterującej). Można być niemal pewnym, że kiedyś faktycznie nastaną czasy płaskich urządzeń, ale na pewno nie nastąpi to z dnia na dzień, a doskonałość płaskich aparatów nie będzie od razu idealna.

Smartfony istotnie mogą stać się jeszcze cieńsze, ale najwięcej ciekawych konsekwencji można upatrywać w branżach gdzie obrazowanie gra dużą rolę, ale jednocześnie optyka nie jest najważniejsza, a już na pewno nie może być głównym elementem, który zwraca na siebie uwagę. Pomyślmy - medycyna, motoryzacja i już mamy odpowiedź gdzie metamateriały mają szanse się przyjąć.

Pracownicy SEAS dostrzegają potencjał metasoczewek eliminujących wady achromatyczne szczególnie w przypadku obrazowania w świetle LEDowym czy spektroskopii fotoluminescencyjnej.

Tradycyjna fotografia również może doczekać się zmian po wprowadzeniu płaskich elementów optycznych. Płaskich czyli wykonanych z metamateriałów, bo o jak najmniejsze rozmiary obiektywów producenci walczą nieustannie. Na pewno nie będzie to jedynie zmiana wymiarów i wagi obiektywów.

Płaskie soczewki mogą sprawić, że pojęcie fotograf czy fotografia ulegnie przeobrażeniu. Ta zresztą ciągle się zmienia, ale niezależnie od tego czy jest to lustrzanka czy smartfon, podstawowa filozofia jest taka sama.

A co stanie się później…

Dziśich praca to w dużej mierze walka o uzyskanie jak najlepszych rezultatów mimo przeciwieństw jakie stawia im na drodze natura. W przyszłości nie samo wykonanie zdjęcia, ale to jak doszło do jego powstania, co z niego wynikło, będzie odgrywać większą niż dziś rolę i będzie bardziej zaprzątać uwagę.

Scena z Powrotu do przyszłości 2, a w zasadzie dla nas to już "przeszłości"

Takie wynalazki jak aparaty fotograficzne wykorzystujące pole światła (tak na marginesie, Lytro porzuciło prace nad cyfrówkami tego typu) czy fotografia 3D (od czasu do czasu przeżywająca krótkotrwały renesans) albo fotografia sferyczna 360 stopni, wydadzą się kiedyś czymś śmiesznie prostym i banalnym. Ba, nawet metasoczewki mogą okazać się tylko jednym z wielu etapów pośrednich.

Źródło: SEAS, inf. własna, foto: Jared Sisler/Harvard SEAS