シンガポールの科学者が二光子重合技術を使って多層アクロマティックメタレンズを3Dプリント

この投稿は warrior bear によって 2024-1-3 21:25 に最後に編集されました。

2024年1月3日、アンタークティックベアは、シンガポール工科デザイン大学の材料科学者が画期的な3Dプリント法を使用して、高開口数、広帯域、偏光不感の多層アクロマートスーパーレンズ（MAM）の実現に大きな進歩を遂げたことを知りました。
関連研究は、Cheng-Feng氏らが共著者となり、「高開口数アクロマティックメタレンズのための3Dプリント多層構造」と題する論文として、Science Advances誌に掲載されました。

論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9262
マイクロスケールとマクロスケールの両方におけるメタレンズの最近の進歩は、光場イメージング、生体分析、医療、半導体、量子技術への応用において、優れたイメージング性能を実現する前例のない可能性を示しています。特に、アクロマートレンズは広帯域応答を示し、色情報を捉えることができるため、フォトニックデバイスの設計可能性と応用シナリオが広がります（1～12）。超小型、超薄型、軽量という望ましい特性により、メタレンズはイメージングシステムでの使用に魅力的です（13–19）。しかし、ほとんどのメタレンズは高屈折率 (HRI) 材料でパターン化されており、強力な光の閉じ込めにより優れた光学制御が得られますが、分散が大きいため、広帯域の実現が困難です。
従来、平面光学系は、開口数と帯域幅の制限のバランスをとるという課題に直面しており、それが画像性能を制限していました。上記の問題を解決するために、シンガポール工科デザイン大学の研究チームは、高開口数、広帯域、偏光不感の多層アクロマティックメタレンズ（MAM）を設計する新しい方法を提案しました。研究者らは、トポロジー最適化と全波長シミュレーションを使用し、2光子リソグラフィーを使用してメタレンズをリバースエンジニアリングしました。私たちは直径 20 μm の MAM を作製することに成功し、可視光範囲 (400 ～ 800 nm) で 0.5 および 0.7 NA を最大 42% の効率で達成しました。結果は、白色光と RGB 狭帯域照明下で作製された MAM の広帯域イメージング性能を実証しています。これらの結果は、広帯域および多機能コンポーネントのリバースデザインを実現する上での 3D プリント多層構造の可能性を強調しています。

△各種単レンズと多層レンズの色消し性能。 (A) デザイナーが 3D プリントした多層アクロマティックメタレンズ (MAM) の概略図。 (B) 単層および多層の従来型および平面光学レンズ（フレネルレンズ、多次回折レンズ（MDL）、メタレンズを含む）の概略図。 (C) 追加の層を追加した場合の波長 400、533、800 nm での焦点の変化 (0.5 NA MAM の最適化された 3 層設計の結果)。 (D) さまざまなアクロマティックメタレンズの効率、開口数、帯域幅（可視光帯域で動作）（詳細は表S1およびS2を参照）（2、3、13、15、16、25、28、47、51～55）。カラーバーとマーカーのサイズは、効率、NA、帯域幅の二乗の合計の平方根として定義される数値またはメリットを表します。灰色の平面は、帯域幅 = 300 nm、NA = 0.35 での以前の制限を表します。各メタレンズの NA 値は凡例に示されています。
この画期的な進歩は、多層アクロマティックメタレンズに関連する製造上の課題を克服するためにナノスケール 3D プリンティングを応用したことにあります。この技術により、複雑なマイクロレンズや屈折率分布型レンズなどの複雑な構造の迅速なプロトタイピングが可能になります。トポロジー最適化は、安定した多層の高解像度構造を効果的に実現するために重要な役割を果たしました。
多層アクロマートメタレンズは比類のない効率を発揮します。これらのメタレンズは、色収差を排除することで、多用途の広帯域光学部品の設計と製造に新たなパラダイムを提供します。この革新的なアプローチは、光照射野イメージング、生体分析、医療、量子技術への応用への道を開きます。
△作製した MAM の傾斜 SEM 画像: (i) 単層、二重層、三重層 (全層) を示す分解された MAM、(ii) 無傷の MAM の拡大図、(iii) MAM の上面図と寸法、(iv および v) 200 nm 幅のリング構造の内部構造と詳細を示す MAM の断面図。 (画像出典: Cheng-Feng 他)
今後、この研究では、より高解像度の 3D 印刷方法と高屈折率樹脂を組み合わせて、システムの性能をさらに向上させることが予測されています。この進歩により、応答範囲が可視スペクトルから近赤外線または中赤外線の範囲にまで拡張され、複雑な多機能光学システムの開発が促進される可能性があります。

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