Tecnologia Científica

Novos metalens mudam o foco sem inclinar ou se mover
O design pode permitir lentes de zoom em miniatura para drones, telefones celulares ou óculos de visão noturna.
Por Jennifer Chu - 23/02/2021


Um novo metalens fabricado pelo MIT muda o foco sem inclinar, mudar ou se mover de outra forma. O design pode permitir lentes de zoom em miniatura para drones, telefones celulares ou óculos de visão noturna. Créditos: Cortesia dos pesquisadores

O vidro polido está no centro dos sistemas de imagem há séculos. Sua curvatura precisa permite que as lentes focalizem a luz e produzam imagens nítidas, seja o objeto em vista uma única célula, a página de um livro ou uma galáxia distante.

Mudar o foco para ver claramente em todas essas escalas normalmente requer mover fisicamente uma lente, inclinando, deslizando ou mudando a lente, geralmente com a ajuda de peças mecânicas que aumentam o volume de microscópios e telescópios.

Agora, os engenheiros do MIT fabricaram um “metalens” ajustável que pode focar em objetos em várias profundidades, sem alterações em sua posição física ou forma. A lente não é feita de vidro sólido, mas de um material transparente de “mudança de fase” que, após aquecimento, pode reorganizar sua estrutura atômica e, assim, mudar a maneira como o material interage com a luz.

Os pesquisadores gravaram a superfície do material com estruturas minúsculas e precisamente padronizadas que funcionam juntas como uma "metassuperfície" para refratar ou refletir a luz de maneiras únicas. Conforme as propriedades do material mudam, a função óptica da metassuperfície varia de acordo. Nesse caso, quando o material está em temperatura ambiente, a metassuperfície focaliza a luz para gerar uma imagem nítida de um objeto a uma certa distância. Depois que o material é aquecido, sua estrutura atômica muda e, em resposta, a metassuperfície redireciona a luz para se concentrar em um objeto mais distante.

Desta forma, os novos “metalens” ativos podem ajustar seu foco sem a necessidade de elementos mecânicos volumosos. O novo design, que atualmente imagens dentro da faixa infravermelha, pode permitir dispositivos ópticos mais ágeis, como escopos de calor em miniatura para drones, câmeras térmicas ultracompactas para telefones celulares e óculos de visão noturna de baixo perfil.

“Nosso resultado mostra que nossas lentes ultrafinas sintonizáveis, sem partes móveis, podem obter imagens sem aberração de objetos sobrepostos posicionados em diferentes profundidades, rivalizando com os sistemas óticos tradicionais e volumosos”, diz Tian Gu, um cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Gu e seus colegas publicaram seus resultados hoje na revista Nature Communications . Seus co-autores incluem Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du e Anuradha Agarwal no MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou e Christopher Roberts, do MIT Lincoln Laboratory; e colaboradores da University of Massachusetts em Lowell, da University of Central Florida e da Lockheed Martin Corporation.

Um ajuste de material

A nova lente é feita de um material de mudança de fase que a equipe fabricou ajustando um material comumente usado em CDs e DVDs regraváveis. Chamado GST, ele compreende germânio, antimônio e telúrio, e sua estrutura interna muda quando aquecida com pulsos de laser. Isso permite que o material alterne entre os estados transparente e opaco - o mecanismo que permite que os dados armazenados em CDs sejam gravados, apagados e regravados.

No início deste ano, os pesquisadores relataram adicionar outro elemento, selênio, ao GST para fazer um novo material de mudança de fase : GSST. Quando eles aqueceram o novo material, sua estrutura atômica mudou de um emaranhado amorfo e aleatório de átomos para uma estrutura mais organizada e cristalina. Essa mudança de fase também mudou a forma como a luz infravermelha viaja pelo material, afetando o poder de refração, mas com impacto mínimo na transparência.

A equipe se perguntou se a capacidade de comutação do GSST poderia ser adaptada para direcionar e focar a luz em pontos específicos, dependendo de sua fase. O material então poderia servir como uma lente ativa, sem a necessidade de partes mecânicas para mudar seu foco.

“Em geral, quando alguém faz um dispositivo óptico, é muito desafiador ajustar suas características após a fabricação”, diz Shalaginov. “É por isso que ter este tipo de plataforma é como um Santo Graal para engenheiros ópticos, que permite [aos metalens] mudar o foco de forma eficiente e em um amplo intervalo.”

Na berlinda

Em lentes convencionais, o vidro é curvado com precisão para que o feixe de luz que entra refrate a lente em vários ângulos, convergindo em um ponto a uma certa distância, conhecido como comprimento focal da lente. As lentes podem então produzir uma imagem nítida de quaisquer objetos a essa distância específica. Para obter imagens de objetos em uma profundidade diferente, a lente deve ser movida fisicamente.

Em vez de confiar na curvatura fixa de um material para direcionar a luz, os pesquisadores procuraram modificar os metalens baseados em GSST de forma que o comprimento focal mudasse com a fase do material.

Em seu novo estudo, eles fabricaram uma camada de 1 mícron de espessura de GSST e criaram uma "metassuperfície" gravando a camada de GSST em estruturas microscópicas de várias formas que refratam a luz de maneiras diferentes.

“É um processo sofisticado para construir a metassuperfície que alterna entre diferentes funcionalidades e requer uma engenharia criteriosa de que tipo de formas e padrões usar”, diz Gu. “Sabendo como o material se comportará, podemos projetar um padrão específico que se concentrará em um ponto no estado amorfo e mudará para outro ponto na fase cristalina.”

Eles testaram os novos metalens colocando-os em um palco e iluminando-os com um feixe de laser sintonizado na faixa infravermelha de luz. Em certas distâncias na frente da lente, eles colocaram objetos transparentes compostos de padrões de dupla face de barras horizontais e verticais, conhecidos como gráficos de resolução, que são normalmente usados ​​para testar sistemas ópticos.

A lente, em seu estado amorfo inicial, produziu uma imagem nítida do primeiro padrão. A equipe então aqueceu as lentes para transformar o material em uma fase cristalina. Após a transição, e com a fonte de aquecimento removida, a lente produziu uma imagem igualmente nítida, desta vez do segundo conjunto de barras mais distantes.

“Demonstramos imagens em duas profundidades diferentes, sem nenhum movimento mecânico”, diz Shalaginov.

Os experimentos mostram que um metalens pode mudar ativamente o foco sem quaisquer movimentos mecânicos. Os pesquisadores dizem que um metalens poderia ser potencialmente fabricado com microaquecedores integrados para aquecer rapidamente o material com pulsos curtos de milissegundos. Ao variar as condições de aquecimento, eles também podem sintonizar os estados intermediários de outros materiais, permitindo o ajuste focal contínuo.

“É como cozinhar um bife - começa com um bife cru e pode ir até bem passado, ou mal passado, e qualquer outra coisa no meio”, diz Shalaginov. “No futuro, esta plataforma única nos permitirá controlar arbitrariamente a distância focal dos metalens.”

 

.
.

Leia mais a seguir