Não há necessidade de correção de cores: cores perfeitas, capturadas com uma lente ultrafina
A maioria das lentes são, por definição, curvas. Afinal, eles recebem esse nome por sua semelhança com lentilhas, e uma lente de vidro plana é apenas uma janela sem poderes especiais. Mas um novo tipo de lente criado na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS) vira a óptica convencional de cabeça para baixo.
Um grande avanço em relação a um protótipo de dispositivo demonstrado em 2012, é um componente óptico ultrafino e completamente plano feito de um substrato de vidro e pequenas antenas de silício concentradoras de luz. A luz que brilha sobre ele se curva instantaneamente, em vez de gradualmente, ao passar. Os efeitos de flexão podem ser projetados antecipadamente, por um algoritmo, e ajustados para atender a praticamente qualquer finalidade.
Com esta nova invenção descrita hoje na Science, a equipe de pesquisa de Harvard superou uma desvantagem inerente às lentes finas: a luz em diferentes comprimentos de onda (ou seja, cores) responde à superfície de maneira muito diferente. Até agora, este fenômeno impediu que a óptica planar fosse usada com luz de banda larga. Agora, em vez de tratar todos os comprimentos de onda igualmente, os investigadores criaram uma lente plana com antenas que compensam as diferenças de comprimento de onda e produzem um efeito consistente – por exemplo, desviando três feixes de cores diferentes pelo mesmo ângulo, ou focando essas cores num único ponto.
"O que isto significa agora é que efeitos complicados como a correção de cores, que num sistema óptico convencional exigiria que a luz passasse através de várias lentes espessas em sequência, podem ser alcançados num dispositivo extremamente fino e miniaturizado", disse o investigador principal Federico Capasso, o Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na Harvard SEAS.
Bernard Kress, arquiteto óptico principal do Google [X], que não esteve envolvido na pesquisa, elogiou o avanço:
"O Google [X], e especialmente o grupo Google Glass, depende fortemente de tecnologias ópticas de última geração para desenvolver produtos que tenham funcionalidades mais altas, sejam mais fáceis de produzir em massa, tenham uma pegada menor e sejam mais leves, sem comprometendo a eficiência", disse ele. "No ano passado, desafiámos o grupo do Professor Capasso a trabalhar num objectivo que até agora era inalcançável pela óptica plana. Embora existam muitas formas de projectar óptica acromática, não havia até agora nenhuma solução para implementar um elemento óptico plano sem dispersão que ao mesmo tempo o tempo teve eficiência uniforme e o mesmo ângulo de difração para três comprimentos de onda separados. Estamos muito felizes que o professor Capasso aceitou o desafio e também ficamos muito surpresos ao saber que seu grupo realmente resolveu esse desafio em um ano."
A equipe de pesquisadores, liderada por Capasso e pelo pós-doutorado Francesco Aieta, desenvolveu um projeto que rivaliza com os volumosos equipamentos usados ​​atualmente em fotografia, astronomia e microscopia. Também poderia permitir a criação de novos dispositivos de comunicação óptica em miniatura e encontrar aplicação em câmeras compactas e dispositivos de imagem.
A nova lente, apelidada de "metasuperfície acromática", melhora drasticamente a lente plana que o grupo de pesquisa de Capasso demonstrou em 2012. Esse protótipo, o primeiro desse tipo, corrigiu algumas das aberrações das lentes convencionais, mas sofreu com a limitação de focar apenas luz de um único comprimento de onda e sua eficiência de foco era pequena. O novo modelo utiliza um material dielétrico em vez de um metal para as nanoantenas, uma mudança que melhora muito a sua eficiência e, combinada com uma nova abordagem de design, permite a operação numa ampla gama de comprimentos de onda.
Mais significativamente, o novo design permite a criação de dois dispositivos ópticos planos diferentes. A primeira, em vez de enviar cores diferentes em direções diferentes como uma grade convencional, desvia três comprimentos de onda de luz exatamente no mesmo ângulo. No segundo dispositivo, os três comprimentos de onda podem ser focados no mesmo ponto. Uma lente plana pode, portanto, criar uma imagem colorida - focando, por exemplo, vermelho, verde e azul, as cores primárias usadas na maioria dos monitores digitais. As simulações computacionais da equipe também sugerem que uma arquitetura semelhante pode ser usada para criar uma lente que colima muitos comprimentos de onda diferentes, e não apenas três.
"Este é um grande passo no estabelecimento de uma tecnologia óptica planar com uma área pequena que supera as limitações da óptica plana padrão, conhecida como óptica difrativa", disse Capasso. "Isso também abre a porta para novas funcionalidades devido ao enorme espaço de design possibilitado pelas metassuperfícies."
"Esta é uma conquista elegante e inovadora", disse Nader Engheta, professor H. Nedwill Ramsey da Universidade da Pensilvânia, que não esteve envolvido na pesquisa. "As estruturas ópticas planas projetadas e demonstradas pelo grupo do Professor Capasso têm muito menos volume do que suas contrapartes convencionais e volumosas e, ao mesmo tempo, sua aberração cromática foi suprimida. Este é um desenvolvimento importante que sem dúvida levará a outras inovações interessantes no campo de fotônica plana."
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard solicitou uma patente provisória sobre a nova tecnologia óptica e está buscando ativamente oportunidades comerciais.
"Nosso trabalho anterior sobre lentes planas metálicas gerou grande entusiasmo em relação à possibilidade de obter alta abertura numérica e foco livre de aberração esférica com um design muito compacto. Ao demonstrar lentes acromáticas, demos agora um grande passo em direção ao futuro generalizado. aplicação de óptica plana que certamente atrairá o interesse da indústria", disse o autor principal Francesco Aieta, agora empregado da Hewlett Packard, que conduziu a pesquisa no Harvard SEAS.
Mais informações: Metasuperfícies acromáticas de múltiplos comprimentos de onda por compensação de fase dispersiva Publicado online, Science DOI: 10.1126/science.aaa2494
Informações da revista: Ciência
Fornecido pela Universidade de Harvard