Yeni ‘metaller’ eğilmeden veya hareket etmeden odağı kaydırır
Yeni MIT ile üretilmiş metaller, eğilmeden, kaymadan veya başka bir şekilde hareket ettirmeden odağı kaydırır. Tasarım, dronlar, cep telefonları veya gece görüş gözlükleri için minyatür yakınlaştırma lenslerini etkinleştirebilir. Kredi: Massachusetts Teknoloji Enstitüsü
Cilalı cam, yüzyıllardır görüntüleme sistemlerinin merkezinde yer almaktadır. Hassas eğriliği, merceklerin ışığa odaklanmasını ve görüntüdeki nesne ister tek bir hücre, ister bir kitabın sayfası veya uzaktaki bir galaksi olsun, keskin görüntüler üretmesini sağlar.
Odağı tüm bu ölçeklerde net bir şekilde görmek için değiştirmek, genellikle bir lensi, genellikle mikroskopların ve teleskopların büyük bir kısmına katkıda bulunan mekanik parçaların yardımıyla, lensi eğerek, kaydırarak veya başka bir şekilde kaydırarak fiziksel olarak hareket ettirmeyi gerektirir.
Şimdi MIT mühendisleri, fiziksel konumunda veya şeklinde herhangi bir değişiklik olmaksızın birden çok derinlikteki nesnelere odaklanabilen ayarlanabilir bir “metaller” ürettiler. Mercek, katı camdan değil, ısıtıldıktan sonra atomik yapısını yeniden düzenleyebilen ve böylece malzemenin ışıkla etkileşim şeklini değiştirebilen şeffaf “faz değiştiren” bir malzemeden yapılmıştır.
Araştırmacılar, ışığı benzersiz şekillerde kırmak veya yansıtmak için bir “meta yüzey” olarak birlikte çalışan minik, hassas şekilde desenli yapılarla malzemenin yüzeyini kazdılar. Malzemenin özelliği değiştikçe, meta yüzeyin optik işlevi de buna göre değişir. Bu durumda, malzeme oda sıcaklığında olduğunda, meta yüzey, belirli bir mesafedeki bir nesnenin keskin bir görüntüsünü oluşturmak için ışığı odaklar. Materyal ısıtıldıktan sonra atomik yapısı değişir ve buna karşılık meta yüzey ışığı daha uzaktaki bir nesneye odaklanmak için yeniden yönlendirir.
Bu şekilde, yeni aktif “metaller”, hacimli mekanik elemanlara ihtiyaç duymadan odağını ayarlayabilir. Halihazırda kızılötesi bant içinde görüntülenen yeni tasarım, dronlar için minyatür ısı dürbünleri, cep telefonları için ultra kompakt termal kameralar ve düşük profilli gece görüş gözlükleri gibi daha çevik optik cihazları etkinleştirebilir.
MIT’nin Malzeme Araştırma Laboratuvarı’nda araştırma bilimcisi olan Tian Gu, “Sonuçlarımız, hareketli parçalar olmadan ultra ince ayarlanabilir lensimizin geleneksel, hantal optik sistemlere rakip olacak şekilde farklı derinliklerde konumlandırılmış üst üste binen nesnelerin sapmasız görüntülenmesini sağlayabildiğini gösteriyor” diyor.
Gu ve meslektaşları bugün sonuçlarını dergide yayınladılar. Doğa İletişimi. Ortak yazarları arasında MIT’de Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du ve Anuradha Agarwal; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou ve MIT Lincoln Laboratuvarı’ndan Christopher Roberts; ve Lowell’deki Massachusetts Üniversitesi, Central Florida Üniversitesi ve Lockheed Martin Corporation’daki işbirlikçileri.
Bir malzeme değişikliği
Yeni mercek, ekibin yeniden yazılabilir CD ve DVD’lerde yaygın olarak kullanılan bir malzemeyi değiştirerek ürettiği, faz değiştiren bir malzemeden yapılmıştır. GST olarak adlandırılan, germanyum, antimon ve tellür içerir ve iç yapısı lazer darbeleri ile ısıtıldığında değişir. Bu, malzemenin saydam ve opak durumlar arasında geçiş yapmasına izin verir – CD’lerde depolanan verilerin yazılmasını, silinmesini ve yeniden yazılmasını sağlayan mekanizma.
Bu yılın başlarında, araştırmacılar yeni bir faz değiştiren malzeme yapmak için GST’ye başka bir element olan selenyum eklediklerini bildirdi: GSST. Yeni malzemeyi ısıttıklarında, atomik yapısı şekilsiz, rastgele bir atom karmaşasından daha düzenli, kristal bir yapıya geçti. Bu faz kayması aynı zamanda kızılötesi ışığın malzemeden geçme şeklini değiştirerek kırılma gücünü etkiledi, ancak şeffaflık üzerinde minimum etki yarattı.
Ekip, GSST’nin anahtarlama yeteneğinin, aşamasına bağlı olarak ışığı belirli noktalarda yönlendirmek ve odaklamak için uyarlanıp uyarlanamayacağını merak etti. Materyal daha sonra mekanik parçalara odaklanmadan aktif bir lens görevi görebilir.
Shalaginov, “Genel olarak bir optik cihaz yapıldığında, üretim sonrası özelliklerini ayarlamak çok zordur” diyor. “Bu nedenle, bu tür bir platforma sahip olmak, optik mühendisleri için kutsal bir kase gibidir. [the metalens] odaklamayı verimli bir şekilde ve geniş bir aralıkta değiştirmek için. ”
Sıcak koltukta
Geleneksel lenslerde, cam, gelen ışık huzmesinin lensin odak uzaklığı olarak bilinen belirli bir mesafedeki bir noktada yakınsayarak çeşitli açılarda lensi kırması için tam olarak kavislidir. Lensler daha sonra bu belirli mesafedeki herhangi bir nesnenin keskin bir görüntüsünü oluşturabilir. Nesneleri farklı bir derinlikte görüntülemek için lens fiziksel olarak hareket ettirilmelidir.
Araştırmacılar, ışığı yönlendirmek için bir malzemenin sabit eğriliğine güvenmek yerine, GSST tabanlı metalleri, odak uzaklığı malzemenin fazıyla değişecek şekilde değiştirmeye çalıştılar.
Yeni çalışmalarında, 1 mikron kalınlığında bir GSST tabakası imal ettiler ve GSST tabakasını, ışığı farklı şekillerde kıran çeşitli şekillerdeki mikroskobik yapılara aşındırarak bir “meta yüzey” oluşturdular.
Gu, “Farklı işlevler arasında geçiş yapan ve ne tür şekil ve modellerin kullanılacağı konusunda mantıklı mühendislik gerektiren meta yüzey oluşturmak için karmaşık bir süreçtir” diyor. “Malzemenin nasıl davranacağını bilerek, amorf durumda bir noktaya odaklanacak ve kristal fazda başka bir noktaya geçecek özel bir model tasarlayabiliriz.”
Yeni metalleri bir sahneye yerleştirerek ve kızılötesi ışık bandına ayarlanmış bir lazer ışınıyla aydınlatarak test ettiler. Merceğin önüne belirli mesafelerde, genellikle optik sistemleri test etmek için kullanılan çözünürlük çizelgeleri olarak bilinen çift taraflı yatay ve dikey çubuk modellerinden oluşan saydam nesneler yerleştirdiler.
Lens, başlangıçtaki amorf durumunda, ilk desenin keskin bir görüntüsünü üretti. Ekip daha sonra malzemeyi kristal faza dönüştürmek için merceği ısıtdı. Geçişten sonra ve ısıtma kaynağı çıkarıldığında mercek eşit derecede keskin bir görüntü üretti, bu sefer daha uzaktaki çubuklar.
Shalaginov, “İki farklı derinlikte, herhangi bir mekanik hareket olmaksızın görüntüleme yapıyoruz,” diyor.
Deneyler, bir metalin herhangi bir mekanik hareket olmadan aktif olarak odağı değiştirebileceğini gösteriyor. Araştırmacılar, malzemeyi kısa milisaniyelik darbelerle hızlı bir şekilde ısıtmak için bir metalin potansiyel olarak entegre mikro ısıtıcılar ile üretilebileceğini söylüyor. Isıtma koşullarını değiştirerek, diğer materyallerin ara durumlarına da ayarlanarak sürekli odak ayarına olanak tanırlar.
Shalaginov, “Bu bir biftek pişirmeye benziyor – çiğ bir biftekten başlayıp iyi pişmişe kadar gidebilir veya orta pişmiş olabilir ve bunların arasında herhangi bir şey yapılabilir” diyor. “Gelecekte bu benzersiz platform, metallerin odak uzunluğunu keyfi olarak kontrol etmemize izin verecek.”
Dışbükeyden içbükey: Daha fazla meta yüzey hareli, geniş aralıklı lensle sonuçlanır