Onderzoekers van AMOLF hebben een nieuw type optische lens gemaakt die niet gebogen is zoals een traditionele glazen lens, maar plat. De lens werkt volgens het principe van negatieve lichtbreking, dat in 1968 werd voorspeld door Veselago. Mogelijke toepassingen voor de platte lens zijn ultracompacte optische opslagmedia en ultrakleine microscopische instrumenten.
Sinds de eerste voorspelling door Veselago dat licht de “verkeerde kant op“ kan breken in een materiaal met een negatieve brekingsindex zijn lichtwetenschappers geïntrigeerd door het concept van een platte lens. Zo’n platte lens heeft geen optische as, waardoor parallelle beelden op grote schaal gemaakt kunnen worden. Daarnaast heeft een dergelijke lens een brandpuntsafstand die kleiner is dan de golflengte van licht, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan voor het maken van beelden. Hoewel negatieve breking niet voorkomt in natuurlijke materialen zijn er wel hyperbole metamaterialen gemaakt waarin negatieve breking voorkomt. Deze materialen bleken ongeschikt voor het maken van een praktisch bruikbare platte lens omdat ze anisotroop zijn. Deze materiaaleigenschap leidt tot onscherpe beelden.
In een artikel dat op 8 juni online gepubliceerd is in het tijdschrift Optica, presenteren de AMOLF-onderzoekers een nieuw ontwerp voor een platte lens dat geïnspireerd is op het ontwerp van een hyperbool metamateriaal. De platte lens is zo ontworpen dat deze een isotrope negatieve brekingsindex heeft, met een brekingsindex n=-1 voor alle richtingen in het materiaal. De onderzoekers maakten de platte lens, die in het ultraviolet-spectrum werkt, van een periodieke zilver-titaniumdioxide dunne-filmstructuur. Met confocale microscopie namen ze een duidelijk brandpunt waar dat slechts 350 nanometer van het oppervlak van de platte lens af ligt. Dit komt goed overeen met waardes die analytische berekeningen en numerieke simulaties voorspelden.
In het verleden hebben andere onderzoekers geprobeerd platte lenzen te maken met behulp van metalen nanodraden en complexe lagenstructuren. Deze leverden echter niet de gewenste isotrope eigenschappen op, absorbeerden het licht sterk, of werkten niet in het praktische ultraviolet/zichtbare deel van het spectrum.
Onderzoeksleider Albert Polman: “We waren verrast dat zo’n eenvoudige anisotrope lagenstructuur volkomen isotrope eigenschappen kan hebben. We kunnen nu met een extreem simpel ontwerp het licht de verkeerde kant op sturen, met allerlei nieuwe toepassingen in het verschiet”.
Figuur (links): Wanneer licht op een structuur valt die gemaakt is van heel dunne, elkaar afwisselende lagen van zilver en titaniumdioxide (blauwe en grijze strepen), vindt negatieve breking plaats, waardoor de structuur het licht kan focussen dat onder verschillende hoeken invalt en op die manier als een lens werkt. Figuur (rechts): Meting van het brandpunt van het licht boven de lens. Licht (golflengte 364 nanometer) komt aan de onderzijde binnen en vormt een beeld bovenop de multilaag, zoals gemeten met een confocale microscoop.
Referentie
Planar metal/dielectric single-periodic multilayer UV flat lens, R. Maas, J. van de Groep, en A. Polman, Optica,3, 6, pp. 592-596 (2016) | DOI: 10.1364/OPTICA.3.000592
