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Une nouvelle lentille révolutionnaire concentre toutes les couleurs de l’arc-en-ciel en un seul point

Crédits : Jared Sisler/Harvard SEAS

Les « metalenses » – des surfaces planes qui utilisent des nanostructures pour focaliser la lumière – promettent de révolutionner l’optique en remplaçant les lentilles encombrantes et incurvées actuellement utilisées. L’une d’elles est aujourd’hui capable de concentrer toutes les couleurs de l’arc-en-ciel en un seul point.

Une équipe de chercheurs explique avoir pour la première fois réussi à développer un métal unique capable de focaliser toutes les couleurs de l’arc-en-ciel – tout le spectre visible de la lumière produisant une lumière blanche – en un point à haute résolution. Selon l’équipe de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) du Massachusetts, les applications de ces nouvelles lentilles sont nombreuses, des objectifs dans les caméras de nos smartphones à une toute nouvelle génération de casques de réalité virtuelle et de réalité augmentée.

Focaliser tout le spectre visible et de la lumière blanche – combinaison de toutes les couleurs du spectre – est difficile car chaque longueur d’onde se déplace à travers les matériaux à des vitesses différentes. Les longueurs d’onde rouges par exemple, se déplaceront à travers le verre plus rapidement que le bleu, de sorte que les deux couleurs atteindront le même emplacement à des moments différents, ce qui se traduira par des foyers différents. Cela crée des distorsions d’image connues sous le nom d’aberrations chromatiques. Les caméras et autres instruments optiques utilisent de multiples épaisseurs de lentilles incurvées et de matériaux différents pour corriger ces aberrations, ce qui bien entendu s’ajoute à la masse de l’appareil.

« Metalenses a des avantages par rapport aux lentilles traditionnelles », explique Federico Capasso, professeur de physique appliquée et en génie électrique au SEAS, et auteur principal de la recherche. « Ces nouvelles lentilles sont minces, faciles à fabriquer et rentables. Cette percée étend ces avantages à travers tout le spectre lumineux. C’est le prochain grand pas. »

Crédits : Pixabay / sbl0323

Les chercheurs se sont ici appuyés sur des réseaux de dioxyde de titane ultrafins pour focaliser de manière égale les longueurs d’onde de la lumière et éliminer l’aberration chromatique. Des recherches antérieures ont démontré que différentes longueurs d’onde de la lumière pouvaient être focalisées, mais à des distances différentes en optimisant la forme, la largeur, la distance et la hauteur des réseaux. Dans cette dernière conception, les chercheurs ont créé des unités de dioxyde de titane jumelées qui contrôlent simultanément la vitesse des différentes longueurs d’onde de la lumière. Les réseaux ainsi associés contrôlent l’indice de réfraction sur la surface, et sont réglés pour limiter les retards des différentes lumières passant à travers plusieurs ailettes. Cela garantit ainsi que toutes les longueurs d’onde atteignent le point focal en même temps.

« Grâce à notre objectif achromatique, nous sommes en mesure d’effectuer une imagerie de haute qualité en lumière blanche. Cela nous rapproche un peu plus de l’objectif de les intégrer dans des dispositifs optiques communs tels que les caméras », note Alexander Zhu, co-auteur de l’étude. Par la suite, les chercheurs espèrent agrandir la lentille, pour l’étendre à environ 1 cm de diamètre. Cela ouvrirait toute une série de nouvelles possibilités, telles que des applications aux domaines de la réalité virtuelle et augmentée.

Vous retrouverez tous les détails de cette étude dans la revue Nature Nanotechnology.

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