فیزیک‌دانان ایالت متحده نخستین عدسی تخت فوقِ نازک را ساخته‌اند. تخت‌بودن این عدسی باعث می‌شود که ابیراهی‌های اپتیکی که در عدسی‌های معمول با سطوح کروی وجود دارند، حذف شوند. در نتیجه توان (کانونی‌کردنِ) عدسی به حد نهایی فیزیکی خودش، که بر اساس قوانین شکست تعیین می‌شود، می‌رسد.

در عدسی معمولی پرتوهای نور در نواحی ضخیم‌تر مرکزی، کندتر از نواحی نازک‌تر پیرامونی حرکت می‌کنند. این به این علت است که سرعت فاز نور در شیشه در مقایسه با هوا کم‌تر است. این توضیحی است که رهبر تیم می‌دهد. همین توزیع (غیر یک‌نواختِ) تاخیر فاز در عدسی‌هاست که منجر به بازتاب و کانونی شدن نور می‌شود.

فراسطح‌های نانو ساختاری

عدسی فوقِ نازکِ تخت جدید از این لحاظ متفاوت است که در واقع این عدسی یک "فرا سطحِ" نانو ساختاری است که از اجزای نازک اپتیکیِ شکل‌دهنده‌ی پرتوی نوری که به آن‌ها آنتن‌های اپتیکی گفته می‌شود، ساخته می‌شوند. این آنتن‌ها با فاصله‌ای از یکدیگر قرار گرفته‌اند که کم‌تر از طول موج نوری است که برای کانونی کردنِ آن، طراحی شده‌اند.

این آنتن‌ها اجزای فلزی در ابعاد طول موج می‌باشند که تاخیر فاز کوچکی در پرتوی نوری که از آن‌ها پراکنده می‌شود، ایجاد می‌کنند. می‌توان فرا سطح را برای یک طول موج مشخص تنظیم کرد. این کار را به سادگی با تغییر اندازه، زاویه و فاصله‌ی بین نانو آنتن‌ها انجام می‌دهند.

طبق گفته‌ی Capasso "آنتن چیزی نیست به جز مشددی که نور را ذخیره کرده و پس از یک تاخیر زمانی کوچک، آن را آزاد می‌کند. این تاخیر، جهت نور را همانند یک عدسی شیشه‌ای نازک تغییر می‌دهد".

سطح عدسی توسط این آنتن‌ها، که با شکل و اندازه‌های متفاوت و در جهات مختلف قرار گرفته‌اند، طراحی شده است. این امر موجب می‌شود تا توزیع تاخیر فاز به صورت شعاعی در اطراف عدسی باشد و در نتیجه هر چه که از مرکز فاصله می‌گیریم شکست پرتوی نور افزایش می‌یابد. این چیزی است که برکانونی کردن پرتوی فرودی در یک نقطه موثر است.

بدون ابیراهی‌های تک‌رنگ

مشخصه‌ی عدسی جدید این است که هیچ اعوجاج تصویری که به عنوان ابیراهی‌های تک‌رنگ شناخته می‌شود، در آن وجود ندارد. این ابیراهی‌ها جزو مشخصه‌ی عدسی‌های کروی می‌باشد. Capasso  می‌افزاید " ابیراهی کروی که شامل کُما و آستیگماتیسم می‌باشد، همگی به طور کلی حذف می‌شوند و می‌توان به نقطه‌ی کانونی دقیق دست یافت. البته هم‌چنان محدودیت‌های ناشی از قوانین شکست وجود دارند.

این وضعیت حتی وقتی که پرتوی نور در فاصله‌ی دورتر از مرکز عدسی و یا با زاویه‌ی بیش‌تر به آن برخورد می‌کند نیز برقرار است. بنابراین به هیچ ترفند تصحیحی پیچیده‌ای نیاز نیست".

تیم هاروارد عدسی خود را ابتدا با نشاندن یک لایه‌ی نازک در حد نانومتر از طلا درست کردند. پژوهش‌گران سپس بخشی از طلا را بیرون کشیدند تا آرایه‌ای از ساختارهای  V(وی)شکل به‌وجود آورند که همان نانو آنتن‌ها هستند. این نانو آنتن‌ها به صورت ردیف‌هایی با فاصله‌ی مساوی روی سطح ویفری از جنس سیلیکون قرار گرفتند.

طبق گفته Capasso بیش‌ترین کاربرد این عدسی‌ها در تصویربرداری و میکروسکوپی می‌باشد. او می‌گوید: "به عنوان مثال، عدسی‌های شیئی با روزنه‌های بسیار بزرگ و یا فیبرهای اپتیکی که برای تصویربرداری و کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند را تصور کنید. در همه‌ی این‌ها می‌توان عدسی معمولی را با نمونه‌ی تخت آن، جای‌گزین کرد".

در مسیر کانونی‌کردن یک پهنای باند

اگرچه عدسی هنوز در مرحله‌ی اثباتِ ایده (proof-of-concept) می‌باشد، با این حال Capasso و هم‌کارانش در حال حاضر با سیلی از درخواست‌ها از سوی عکاسان و ستاره‌شناسان در سراسر دنیا روبرو شده‌اند. کیفیت کانونی‌کردن نور در حال حاضر کمی پایین می‌باشد اما طبق گفته‌ی اعضای این تیم پژوهشی این کیفیت به سادگی با افزایش تعداد آنتن‌های اپتیکی و با به‌کارگیری طراحی متفاوت عدسیِ تخت، افزایش می‌یابد. بر اساس گفته Capasso "در حال حاضر عدسی تنها یک طول موج مشخص را کانونی می‌کند اما با ایجاد طرح‌هایی متفاوت برای آنتن‌ها (قرارگرفته)بر روی فراسطح‌ها، می‌توان عدسی‌هایی با پهنای باند بیش‌تر‌ ساخت".

محققان عدسی خود را به کمک لیتوگرافی پرتوی الکترونی ساختند که روشی کاربردی نیست. این به علت وقت‌گیر بودن این روش است. Capasso می‌افزاید "خوشبختانه روش‌های نانو لیتوگرافیِ متفاوتی هستند که برای تولید انبوه مناسب‌اند مانند nanoimprinting و soft lithography  که ممکن است برای طراحی عدسیِ ما بر روی زیر لایه‌های قابل انعطاف مفید باشند. این به نوبه خود می‌تواند بستری برای کاربردهای جالب در زمینه‌های گوناگون باشد".

نتایج این کار پژوهشی در Nano Letters گزارش شده است.

نویسنده: Belle Dumè

منبع خبر:

http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/sep/17/first-flat-lens-focuses-light-without-distortion