Теперь управлять светом можно будет с помощью тонких и плоских металинз, которые заменят громоздкую оптику.
Альберто Москателли (Alberto Moscatelli)
В то время как телефоны, компьютеры и другая электроника уменьшаются в размерах у нас на глазах, их оптические компоненты упорно отказываются следовать этому примеру. Стоит отметить, что изготавливать крошечные линзы с помощью традиционных технологий резки и сгибания стекла довольно трудно, и элементы стеклянной линзы зачастую необходимо складывать в несколько слоев, чтобы правильно фокусировать свет. Недавно инженеры открыли, какие физические законы стоят за гораздо меньшими и более легкими альтернативами, известными как металинзы. Эти линзы могли бы значительно уменьшить в размерах микроскопы и другие лабораторные инструменты, равно как и потребительские товары, такие как камеры, гарнитуры виртуальной реальности и оптические датчики для технологии "Интернета вещей". К тому же они могли бы повысить функциональность оптических волокон.
Металинза состоит из плоской поверхности, тоньше микрона, которая покрыта массивом наноразмерных объектов, таких как выступающие столбики или просверленные отверстия. Когда падающий свет попадает на эти элементы, многие из их свойств меняются, - включая поляризацию, интенсивность, фазу и направление распространения. Исследователи могут расположить наноразмерные объекты с такой точностью, чтобы обеспечить конкретные характеристики свету, выходящему из металинз. Более того, металинзы настолько тонкие, что их можно расположить друг на друге без значительного увеличения в объеме. Исследователи продемонстрировали оптические устройства, где используется массив из таких плоских поверхностей, в частности спектрометры и поляриметры.
Самым существенным прорывом прошлого года стало найденнное исследователями решение для проблемы под названием хроматическая аберрация. Когда белый свет проходит через типичную линзу, лучи с разными длинами волн отклоняются под разными углами и таким образом фокусируются на разных расстояниях от линзы; чтобы исправить этот эффект, инженерам сегодня приходится довольно причудливым образом подгонять линзы друг к другу. Теперь одна металинза может фокусировать все волны белого света в одной точке. Помимо "ахроматических" металинз ученые разработали металинзы, которые исправляют другие аберрации, такие как кома и астигматизм, которые являются причиной искажения и размытости изображения.
Металинзы должны не только уменьшить размер линз, но и значительно снизить стоимость оптических компонентов, поскольку крошечные линзы можно производить на том же оборудовании, которое уже используется в полупроводниковой промышленности. Эта особенность открывает привлекательную перспективу изготовления, скажем, оптического и электронного компонентов крошечного светового датчика на одном и том же промышленном объекте.
Пока же, однако, расходы по-прежнему высоки, поскольку с высокой точностью разместить наноразмерные элементы на микросхеме сантиметрового размера еще трудно. И это не единственное ограничение, которое требуется устранить. Пока что металинзы не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы, - а между тем это свойство крайне важно для многих сфер применения, например, для получения полноцветного изображения. Кроме того, они слишком малы, чтобы захватывать большое количество света, а это означает, что по крайней мере пока они не подходят для получения качественных фотографий.
Тем не менее в ближайшие годы крошечные линзы, вероятно, станут частью более миниатюрных и простых в изготовлении датчиков, диагностических инструментов вроде устройства для эндоскопической визуализации, а также оптических волокон. Эти потенциальные направления практического применения выглядят довольно привлекательно, чтобы вызвать интерес у государственных учреждений и таких компаний, как "Самсунг" и "Гугл", которые готовы оказывать поддержку исследованиям. По крайней мере один стартап, "Металенз" (Metalenz), планирует вывести металинзы на рынок в течение следующих нескольких лет. Другой, Nanomaker.com - уже производит металинзы не первый год.