Les objectifs sont réinventés et les appareils photo ne seront plus jamais les mêmes

Les lentilles sont presque aussi vieilles que la civilisation elle-même. Les anciens Égyptiens, Grecs et Babyloniens ont tous développé des lentilles en quartz poli et les ont utilisées pour un grossissement simple. Plus tard, les scientifiques du XVIIe siècle ont combiné des lentilles pour fabriquer des télescopes et des microscopes, des instruments qui ont changé notre vision de l'univers et notre position en son sein.

Aujourd'hui, les lentilles sont réinventées par le processus de photolithographie, qui sculpte des caractéristiques de sous-longueur d'onde sur des feuilles de verre plates. Aujourd'hui, Alan She et ses amis de l'Université de Harvard dans le Massachusetts montrent comment organiser ces caractéristiques de manière à diffuser la lumière avec un meilleur contrôle que jamais. Ils disent que les métalenses résultants sont sur le point de révolutionner l'imagerie et d'inaugurer une nouvelle ère de traitement optique.

La fabrication de lentilles a toujours été une affaire délicate. Cela se fait généralement en versant du verre fondu, ou du dioxyde de silicium, dans un moule et en le laissant durcir avant de le broyer et de le polir dans la forme requise. Il s'agit d'une activité qui prend du temps et qui est très différente des processus de fabrication des composants de détection de la lumière sur les micropuces.

Les métalenses sont gravées sur des tranches de dioxyde de silicium dans un processus similaire à celui utilisé pour fabriquer des puces de silicium

Donc, une façon de fabriquer des lentilles sur des puces de la même manière serait extrêmement utile. Elle permettrait de fabriquer des lentilles dans les mêmes usines que d'autres composants microélectroniques, voire en même temps.

Elle et co montrent comment ce processus est maintenant possible. L'idée clé est que de minuscules caractéristiques, plus petites que la longueur d'onde de la lumière, peuvent la manipuler. Par exemple, la lumière blanche peut être décomposée en ses couleurs composantes en la réfléchissant sur une surface dans laquelle sont creusées un ensemble de tranchées parallèles qui ont la même échelle que la longueur d'onde de la lumière.

Metalenses peut produire des images de haute qualité

Les physiciens ont joué avec ce qu'on appelle les réseaux de diffraction pendant des siècles. Mais la photolithographie permet de pousser l'idée beaucoup plus loin en créant une gamme plus large de motifs et en variant leur forme et leur orientation.

Depuis les années 1960, la photolithographie a produit des caractéristiques de plus en plus petites sur des puces de silicium. En 1970, cette technique permettait de sculpter des formes dans le silicium d'une échelle d'environ 10 micromètres. En 1985, la taille des caractéristiques était tombée à un micromètre et en 1998, à 250 nanomètres. Aujourd'hui, l'industrie des puces fabrique des fonctionnalités d'une taille d'environ 10 nanomètres.

La lumière visible a une longueur d'onde de 400 à 700 nanomètres, de sorte que l'industrie des puces est en mesure de créer des fonctionnalités de cette taille depuis un certain temps. Mais ce n'est que récemment que les chercheurs ont commencé à étudier comment ces caractéristiques peuvent être disposées sur des feuilles plates de dioxyde de silicium pour créer des lentilles métalliques qui courbent la lumière.

Le processus commence par une plaquette de dioxyde de silicium sur laquelle est déposée une fine couche de silicium recouverte d'un motif de résine photosensible. Le silicium ci-dessous est ensuite découpé à l'aide de lumière ultraviolette. Le lavage du photorésist restant laisse le silicium non exposé dans la forme souhaitée.

Elle et ses collègues utilisent ce processus pour créer un réseau périodique de piliers de silicium sur du verre qui diffusent la lumière visible lors de son passage. Et en contrôlant soigneusement l'espacement entre les piliers, l'équipe peut concentrer la lumière.

Les espacements spécifiques des piliers déterminent les propriétés optiques précises de cette lentille. Par exemple, les chercheurs peuvent contrôler l'aberration chromatique pour déterminer où la lumière de différentes couleurs se concentre.

Dans les objectifs d'imagerie, l'aberration chromatique doit être minimisée - sinon, elle produit des franges colorées autour des objets vus à travers des télescopes jouets bon marché. Mais dans les spectrographes, différentes couleurs doivent être mises au point à différents endroits. Elle et co peuvent faire l'un ou l'autre.

Ces lentilles ne souffrent pas non plus d'aberration sphérique, un problème courant avec les lentilles ordinaires causé par leur forme sphérique tridimensionnelle. Les Metalenses n'ont pas ce problème car ils sont plats. En effet, ils sont similaires aux lentilles idéales théoriques que les physiciens de premier cycle étudient dans les cours d'optique.

Bien sûr, les physiciens ont pu fabriquer des lentilles plates, telles que les lentilles de Fresnel, pendant des décennies. Mais ils ont toujours été difficiles à réaliser.

L'avancée clé ici est que les métalenses, parce qu'elles peuvent être fabriquées de la même manière que les micropuces, peuvent être produites en série avec des caractéristiques de surface inférieures à la longueur d'onde. Elle et co en fabriquent des dizaines sur une seule plaquette de silice. Chacune de ces lentilles a une épaisseur inférieure à un micromètre, un diamètre de 20 millimètres et une distance focale de 50 millimètres.

Nous envisageons une transition de fabrication de l'utilisation d'optiques usinées ou moulées vers des optiques à motifs lithographiques, où elles peuvent être produites en série avec une échelle et une précision similaires à celles des puces IC, disent She and co.

Et ils peuvent le faire avec une technologie de fabrication de puces vieille de plus de dix ans. Cela donnera une nouvelle vie aux anciennes usines de fabrication. Un équipement de pointe est utile, mais pas nécessairement requis, disent She and co.

Les Metalenses ont une large gamme d'applications. Le plus évident est l'imagerie. Les lentilles plates rendront les systèmes d'imagerie plus fins et plus simples. Mais surtout, puisque les métalenses peuvent être fabriqués dans le même processus que les composants électroniques pour détecter la lumière, ils seront moins chers.

Ainsi, les caméras pour smartphones, ordinateurs portables et systèmes d'imagerie à réalité augmentée deviendront soudainement plus petites et moins chères à fabriquer. Ils pourraient même être imprimés à l'extrémité des fibres optiques pour servir d'endoscopes.

Les astronomes pourraient aussi s'amuser. Ces lentilles sont nettement plus légères et plus fines que les mastodontes qu'elles ont lancés en orbite dans des observatoires tels que le télescope spatial Hubble. Une nouvelle génération d'astronomie spatiale et d'observation de la Terre s'annonce.

Mais c'est au sein des puces elles-mêmes que cette technologie pourrait avoir le plus grand impact. La technique permet de construire des systèmes complexes de type banc optique dans des puces pour le traitement optique.

Et il y a d'autres avancées dans le pipeline. Une possibilité consiste à modifier les propriétés des métalenses en temps réel à l'aide de champs électriques. Cela soulève la perspective d'objectifs qui changent de distance focale avec la tension ou, plus important, qui changent de lumière.

Réf : arxiv.org/abs/1711.07158 : Métalenses à grande surface : conception, caractérisation et fabrication de masse

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