Lente plana

Gracias a los avances en las técnicas de micro y nanofabricación , se ha requerido una miniaturización continua de las lentes ópticas convencionales para aplicaciones como comunicaciones, sensores y almacenamiento de datos. En concreto, se necesitan microlentes más pequeñas y delgadas para óptica sublongitudinal o nanoóptica con estructuras pequeñas, para aplicaciones en el espectro visible e infrarrojo cercano. A medida que se reduce la escala de distancia para las comunicaciones ópticas, también se reducen las dimensiones requeridas de las microlentes.

El óxido de grafeno ofrece soluciones para el avance de los dispositivos de enfoque planar. Se demostró una modificación gigante del índice de refracción (tan grande como 10⁻¹ o un orden de magnitud mayor que los materiales anteriores) entre el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO) mediante la manipulación de su contenido de oxígeno utilizando el método de escritura láser directa (DLW). El espesor total de la lente puede reducirse potencialmente en más de diez veces. Además, la absorción óptica lineal del GO aumenta a medida que se profundiza la reducción del GO, lo que resulta en un contraste de transmisión entre el GO y el rGO y, por lo tanto, proporciona un mecanismo de modulación de amplitud . Asimismo, tanto el índice de refracción como la absorción óptica no presentan dispersión en un rango de longitud de onda desde el visible hasta el infrarrojo cercano. La película de GO ofrece una capacidad de modelado flexible mediante el método DLW sin máscara, lo que reduce la complejidad de fabricación.

Una novedosa lente plana ultradelgada sobre una película delgada de GO se fabricó mediante el método DLW. ^{[ 7 ]} Su ventaja radica en que permite lograr simultáneamente la modulación de fase y la modulación de amplitud, atribuidas a la modulación gigante del índice de refracción y a la absorción óptica lineal variable del GO durante su proceso de reducción, respectivamente. Gracias a la capacidad mejorada de conformación del frente de onda, el espesor de la lente es sublongitudinal (~200 nm), más delgado que las lentes dieléctricas (~ μm). Las intensidades de enfoque y la distancia focal se pueden controlar eficazmente variando la potencia del láser y el tamaño de la lente, respectivamente. Mediante el uso de un objetivo de alta apertura numérica (NA) de inmersión en aceite durante el proceso DLW, se logró un tamaño de característica de fabricación de 300 nm en la película de GO, alcanzando así un tamaño mínimo de lente de 4,6 μm de diámetro, la microlente plana más pequeña. Esto solo se puede lograr con una metasuperficie mediante FIB. Posteriormente, la distancia focal se puede reducir hasta 0,8 μm, lo que podría aumentar la NA y la resolución de enfoque.

Se ha demostrado experimentalmente un ancho a media altura (FWHM) de 320 nm en el punto focal mínimo utilizando un haz de entrada de 650 nm, lo que corresponde a una apertura numérica efectiva de 1,24 (n=1,5). Además, con esta lente plana se ha logrado una capacidad de enfoque de banda ultraancha desde 500 nm hasta 2 μm.

La primera lente plana utilizaba una fina oblea de silicio de 60 nanómetros de espesor recubierta con anillos concéntricos de nanoantenas de oro en forma de V para producir imágenes fotográficas. Las antenas refractaban la luz de manera que toda ella incidiera en un único plano focal, un proceso conocido como refracción artificial. Las antenas estaban rodeadas por una máscara opaca de plata/titanio que reflejaba toda la luz que no incidía sobre ellas. Variando la longitud y el ángulo de los brazos se obtenía el rango de amplitudes y fases requerido. La distribución de los anillos controlaba la distancia focal. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

El ángulo de refracción —mayor en los bordes que en el centro— está controlado por la forma, el tamaño y la orientación de las antenas. Podría enfocar solo una única longitud de onda del infrarrojo cercano ^{[ 8 ]} . ^{[ 2 ]}

Las nanoantenas introducen una distribución radial de discontinuidades de fase, generando así frentes de onda esféricos y haces de Bessel no difractantes, respectivamente . Las simulaciones muestran que estos diseños libres de aberraciones son aplicables a lentes de alta apertura numérica, como los objetivos planos de microscopio. ^{[ 4 ]}

En 2015, una versión mejorada utilizó una metasuperficie acromática para enfocar diferentes longitudes de onda de luz en el mismo punto, empleando un material dieléctrico en lugar de un metal. Esto mejora la eficiencia y puede producir un efecto consistente al enfocar las longitudes de onda roja, azul y verde en el mismo punto para lograr una corrección cromática instantánea, obteniendo así una imagen en color. Esta lente no sufre las aberraciones cromáticas, o franjas de color, que afectan a las lentes refractivas. Por lo tanto, no requiere los elementos de lente adicionales que se utilizan tradicionalmente para compensar esta dispersión cromática. ^{[ 9 ]}

Una lente plana bimetálica está hecha de una estructura tipo sándwich de capas alternas de plata y dióxido de titanio de un nanómetro de espesor . Consiste en una pila de guías de onda plasmónicas fuertemente acopladas que mantienen ondas retrógradas. Presenta un índice de refracción negativo independientemente del ángulo de propagación de la luz incidente. Las guías de onda producen una respuesta omnidireccional levógira para la polarización magnética transversal. La transmisión a través del metamaterial se puede activar y desactivar utilizando luz de mayor frecuencia como interruptor, lo que permite que la lente actúe como un obturador sin partes móviles. ^{[ 10 ]}

La óptica de membrana emplea plástico en lugar de vidrio para difractar en vez de refractar o reflejar la luz. Las ranuras microscópicas concéntricas grabadas en el plástico proporcionan la difracción . ^{[ 11 ]}

El vidrio transmite la luz con una eficiencia del 90%, mientras que la eficiencia de las membranas oscila entre el 30% y el 55%. El grosor de la membrana es similar al de una envoltura de plástico. ^{[ 11 ]}

Las lentes holográficas se fabrican a partir de un holograma de una lente convencional. ^{[ 12 ]} Es plana y presenta todos los inconvenientes de la lente original (aberraciones), además de los inconvenientes del holograma (difracción).

El holograma de una lente matemática es plano y posee las propiedades de una lente matemática, pero tiene los inconvenientes de un holograma (difracción).

Las lentes de fase geométrica, también conocidas como lentes planas de polarización dirigida, se fabrican depositando polímero de cristal líquido siguiendo un patrón para crear un "perfil de frente de onda registrado holográficamente". Presentan una distancia focal positiva para luz polarizada circularmente en una dirección y una distancia focal negativa para luz polarizada circularmente en la otra dirección. ^{[ 13 ] [ 14 ]}