Новое слово в оптике: ученые из Университета Иллинойса создали ультратонкие ахроматические линзы с помощью 3D-печати

Знаменательное достижение в области оптики совершили ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. Они создали новый тип линз, которые способны фокусировать свет разных цветов в одной точке, тем самым обеспечивая четкое и реалистичное изображение. Эти линзы называются ахроматами, и они имеют ряд преимуществ перед обычными линзами, которые мы используем в наших камерах, микроскопах и других оптических устройствах.

Что такое ахроматическая линза и зачем она нужна? Давайте сначала разберемся, как работает обычная линза. Линза — это прозрачный объект, который имеет кривую поверхность и преломляет свет, проходящий через нее. Преломление — это изменение направления света при переходе из одной среды в другую. Степень преломления зависит от длины волны света, то есть от его цвета. Красный свет имеет большую длину волны и меньше преломляется, чем синий свет, который имеет меньшую длину волны и больше преломляется. Это явление называется дисперсией света.

Когда мы смотрим на предмет в белом свете, который состоит из смеси всех цветов, мы хотим, чтобы линза фокусировала все цвета в одной точке, чтобы получить четкое изображение. Но обычная линза не может этого сделать, потому что она преломляет разные цвета по-разному. В результате мы получаем размытое изображение с цветными краями, которое называется хроматической аберрацией. Чтобы избежать этого, нужно использовать не одну, а несколько линз, которые скомпенсируют дисперсию света и сделают изображение ахроматическим, то есть без цветовых искажений. Такая система линз называется ахроматической линзой.

Ахроматическая линза состоит из двух или более линз разного типа, которые соединены вместе. Одна из линз называется преломляющей, она имеет положительную фокусную длину и собирает свет. Другая линза называется дифракционной, она имеет отрицательную фокусную длину и рассеивает свет. Преломляющая и дифракционная линзы подбираются так, чтобы их дисперсии света взаимно уничтожались, и все цвета фокусировались в одной точке. Таким образом, ахроматическая линза обеспечивает высокое качество изображения в белом свете.

Однако ахроматическая линза имеет и свои недостатки. Она достаточно толстая и тяжелая, что затрудняет ее использование в современных технологиях, которые требуют миниатюризации и облегчения оптики. Кроме того, ахроматическая линза сложна в изготовлении, так как требует точного соединения преломляющей и дифракционной линз. Поэтому ученые ищут новые способы создания ахроматических линз, которые были бы более компактными, легкими и простыми в производстве.

Именно такой способ предложили исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. Они использовали комбинацию 3D-печати и пористого кремния для создания гибридных микрооптических систем, которые имеют те же функции, что и классические ахроматические линзы, но в гораздо более тонкой и легкой форме. Их метод называется Subsurface Controllable Refractive Index via Beam Exposure (SCRIBE), и он заключается в следующем.

Сначала они берут пористый кремний, который является материалом с множеством мелких отверстий. Затем они заполняют эти отверстия жидким полимером, который является органическим веществом, состоящим из молекул, связанных в длинные цепочки. После этого они облучают пористый кремний с полимером ультрабыстрым лазером, который заставляет полимер твердеть и менять свой показатель преломления. Показатель преломления — это величина, которая характеризует, насколько сильно свет преломляется в данной среде. Изменяя показатель преломления полимера, они могут создавать внутри пористого кремния различные оптические структуры, такие как преломляющие и дифракционные линзы. Таким образом, они получают гибридную микрооптическую систему, которая состоит из двух линз, интегрированных в одну тонкую пластину.

Преимущества такого подхода очевидны. Гибридная микрооптическая система имеет высокую эффективность фокусировки света разных цветов, при этом занимая минимальный объем и толщину. Она не требует внешних опор или склеивания линз, так как они создаются в одном основании. Она легко изготавливается с помощью 3D-печати, которая позволяет создавать сложные формы и рисунки. Она может быть собрана в массивы, которые формируют изображения для дисплеев и камер светового поля, которые позволяют захватывать и воспроизводить информацию о световом поле, тем самым создавая трехмерные и голографические изображения.