Les grandes lentilles métalliques sont produites à grande échelle – Physics World

Des lunettes aux télescopes spatiaux, les lentilles jouent un rôle crucial dans les technologies allant de la banale à la pointe de la technologie. Bien que les lentilles réfractives traditionnelles soient un élément fondamental de l'optique, elles sont encombrantes et cela peut limiter leur utilisation. Les lentilles métalliques sont beaucoup plus fines que les lentilles conventionnelles et au cours des deux dernières décennies, beaucoup de lumière a été mise sur le potentiel de ces appareils, qui scintillent comme une alternative prometteuse.

Les métalenses sont de fines structures constituées de réseaux de « méta-atomes », qui sont des motifs dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière. Ce sont ces méta-atomes qui interagissent avec la lumière et modifient sa direction de propagation.

Contrairement aux lentilles réfractives conventionnelles, les lentilles métalliques peuvent avoir une épaisseur inférieure à un micron, ce qui réduit le volume global des systèmes optiques. Ils peuvent également fournir des performances de focalisation idéales limitées par la diffraction, tout en évitant certains problèmes associés aux lentilles de réfraction telles que les aberrations.

En conséquence, les lentilles métalliques sont très prometteuses pour rétrécir les dispositifs optiques, ce qui pourrait être utile dans une gamme d'applications allant des meilleurs appareils photo pour téléphones portables aux écrans portables moins encombrants. Cependant, en raison de la nature de leur conception complexe et de leurs exigences matérielles, les lentilles métalliques n'ont pas encore atteint la fabrication de masse à un coût et une faisabilité raisonnables. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) en Corée du Sud, dirigée par Junsuk Rho, a mis au point une nouvelle méthode pour fabriquer des centaines de lentilles métalliques de taille centimétrique en une seule fois. Dans un article publié dans Nature Materials, ils décrivent comment ils ont utilisé plusieurs techniques de lithographie et matériaux hybrides différents pour créer des lentilles métalliques à utiliser dans les écrans et les dispositifs de réalité virtuelle (VR). En particulier, ils montrent comment la lithographie par nanoimpression, ou nanostamps, peut fournir un moyen évolutif et peu coûteux de produire des métallens.

Lorsque des lentilles épaisses conventionnelles sont utilisées en optique, la lumière est réfractée lorsqu'elle se déplace entre l'air et le matériau de la lentille, et vice versa. C'est cette réfraction qui modifie le trajet de la lumière et c'est donc la forme de la lentille et son indice de réfraction qui sont à la base du contrôle de la lumière.

L'indice de réfraction et la forme comptent toujours dans les métalenses. Mais, parce qu'une métalense est macroscopiquement plate, c'est la forme et la composition des méta-atomes qui définissent les propriétés optiques d'un appareil.

Les méta-atomes hybrides de l'équipe sont constitués d'une résine recouverte de titane qui est moulée à la surface de substrats en verre de différentes tailles, comme le montre la figure « À l'affiche ». Les méta-atomes mesurent 900 nm de haut, 380 nm de long et 70 nm de large. Le revêtement de titane n'a que 23 nm d'épaisseur. Ce type de nanopatterning à haute résolution est traditionnellement coûteux et ne peut être utilisé que pour couvrir de petites zones à la fois.

La technologie du silicium rencontre le nano-estampage

Maintenant, Rho et ses collègues ont simplifié la production de métalenses en intégrant trois technologies de fabrication déjà matures. Il s'agit de la photolithographie, de la lithographie par nanoimpression et du dépôt de couche atomique. La photolithographie consiste à utiliser des lasers ultraviolets profonds pour créer des motifs sur des tranches de silicium. Il s'agit d'une technique standard dans l'industrie électronique et elle peut également être utilisée pour fabriquer des lentilles métalliques à petite échelle. Cependant, il s'agit d'un procédé coûteux qui n'est pas viable pour la fabrication à grande échelle de métalenses.

Au lieu d'utiliser la photolithographie dans l'ultraviolet profond pour fabriquer les lentilles métalliques, l'équipe s'en est servie pour modeler un tampon maître de 12 pouces (30 cm) de diamètre et d'une résolution caractéristique de 40 nm (voir figure "Processus de production"). Le tampon a été utilisé pour imprimer l'inverse de la structure du méta-atome dans une réplique du moule en silicone souple. La résine liquide a ensuite été versée dans le moule en silicone, où elle s'est écoulée dans les nanorainures avant de durcir. Cela a permis à l'équipe de fabriquer des centaines de métalenses (les cylindres de 1 cm de la figure 2) en même temps. En effet, les structures de surface sophistiquées montrées dans l'image au microscope électronique à balayage (voir figure «Processus de production») peuvent être réalisées en moins de 15 minutes.

L'indice de réfraction de la résine est trop faible pour fournir le contrôle souhaité de la lumière, c'est pourquoi une fine couche de titane a été déposée sur la résine pour augmenter l'indice de réfraction ainsi que pour renforcer la résistance mécanique de la structure.

Que la lumière soit VR

Pour démontrer le potentiel de leurs métalenses, l'équipe les a intégrés dans un prototype d'écran VR. Les appareils VR commerciaux utilisent la réflexion ou la diffraction pour projeter des images virtuelles aux yeux de l'utilisateur - et cela se traduit par des appareils volumineux qui doivent s'adapter à la distance focale appropriée pour l'optique. Leur écran VR à base de métal réduit la distance que la lumière doit parcourir en utilisant une conception basée sur la transmission. Cela rend l'écran léger et confortable à porter. Bien que l'équipe n'ait testé son affichage qu'avec des images statiques, l'appareil s'est révélé prometteur en créant des images à l'aide de lumière rouge, verte et bleue ; les blocs de construction d'écrans toutes couleurs (voir figure "Prototype d'écran").

L'équipe affirme que leur méthode de fabrication évolutive produit des lentilles métalliques avec des performances supérieures à celles des dispositifs fabriqués à l'aide de méthodes plus traditionnelles. Bien qu'il y ait encore beaucoup de progrès à faire, l'avènement des métalenses produits en série ouvre la porte à leur utilisation dans les biocapteurs, l'impression couleur et les hologrammes - ainsi que les écrans VR.

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• La source: https://physicsworld.com/a/large-metalenses-are-produced-on-a-mass-scale/