Дослідники розробили оптичний об'єктив з найвищою числовою апертурою * вільного простору на сьогоднішній день, досягаючи значення трохи нижче 1. Оскільки числова апертура вказує на максимально можливу роздільну здатність, яка може досягти об'єктив, новий об'єктив може фокусувати світло з безпрецедентною здатністю, а також збирати світло з широких кутів. Ці здібності повинні зробити лінзу особливо корисною для додатків з низьким рівнем освітленості, таких як однофотонне випромінювання, яке часто використовується в системах квантової оптики.
Дослідники, очолювані Арсенієм Кузнєцовим і Рамоном Паніагуа-Домінгесом, в A * STAR (Агентство з науки, техніки і досліджень) і Технологічного університету Наньяна в Сінгапурі, опублікували статтю про лінзу з числовою апертурою 0,99 в недавньому випуску Nano Letters.
Раніше найбільша числова апертура для об'єктива з вільним простором становила 0,95, що відповідає максимальному куту збору близько 72 °. Ці лінзи були великі і дорогі, і тому їх не можна легко масштабувати для роботи з дуже маленькими системами.
При числовій апертурі 0,99 нова лінза має як більш високу роздільну здатність, так і більший кут збору 82 °. Новий об'єктив виконаний з метаповерхності, а не з традиційних матеріалів для лінз. Метаповерхність складається з субволнових структур і має загальну товщину менше однієї довжини хвилі світла, що призводить до невеликого розміру, який значно розширює можливості її застосування.
«Об'єктиви з високою чисельною апертурою є основними оптичними компонентами, які широко використовуються в мікроскопії, оптичних системах виявлення, оптичної літографії, квантової оптики тощо», - сказав Арсеній Кузнєцов. "Наявність високої числової апертури має першорядне значення для досягнення високої роздільної здатності та високого рівня виявлення оптичних сигналів.
В даний час існуючі об'єктиви з високоді^ онними об'єктивами є громіздкими і дорогими. У своїй роботі ми показали, що, використовуючи нову концепцію метаповерхностей, заснованих на діелектричних наноантенах, можна проектувати і реалізовувати плоскі оптичні компоненти, які можуть досягати числової апертури вище всіх існуючих оптичних цілей, використовуючи пристрій товщиною всього в кілька сотень нанометрів ".
Для демонстрації переваг нової лінзи дослідники використовували її для зображення азотних центрів в алмазних нанокристалах розміром в кілька десятків нанометрів. Отримані зображення показали менші плями порівняно з зображеннями, зроблених за допомогою комерційних об'єктивів з меншими числовими апертурами, демонструючи більш високу роздільну здатність нового об'єктива.
Дослідники очікують, що в майбутньому новий об'єктив також може бути використаний для поліпшення фотолітографії, яка використовується для виробництва комп'ютерних чіпів та інших пристроїв з високою роздільною здатністю. Крім того, очікується, що новий ширококутний об'єктив підвищить ефективність процесів однофотонного випромінювання, які використовуються в системах квантової оптики.
«Ми вважаємо, що ця нова концепція знайде широке застосування в областях, де важливо виявлення слабких оптичних сигналів», - сказав Кузнєцов. "Один приклад полягає в квантовій оптиці, яка стосується систем, що містять тільки одиночні атоми або квантові випромінювачі, що випромінюють світло на однофотонному рівні. Такі плоскі лінзи не тільки дозволяють виявляти слабкі оптичні сигнали, але також можуть працювати в екстремальних умовах низьких температур і у вакуумі, що характерно для експериментів з квантовою оптикою.
"Ще одним важливим напрямком застосування може бути переносний і мобільний фотонний пристрій, де потрібна щільна інтеграція високоефективних оптичних компонентів. Наприклад, лінзи можуть знаходити додатки в камерах для мобільних телефонів і окулярах доповненої реальності ".