عدسی‌های تخت راهی برای تصویر برداری در حد پراش

روشهای نوین ساخت و تولید، از لیزرهای فمتوثانیه برای خلق ساختارهای سطحی روی تک لایه استفاده می‌کنند.

ضخامت نازک عدسی نهایی که طرح آن با استفاده از لیزر فمتو ثانیه ایجاد شده است.

 

عدسی‌های تخت راه حلی برای به حداقل رساندن ابیراهی نوری و آستیگماتیسم موجود در عدسی‌های معمولی به حساب می‌آیند و قادرند دریچه‌ای به سوی کاربردهای تازه‌‌ای که لنزهای معمولی برای آنها مناسب نیستند، بگشایند.

فراسطوح و فرامواد جز اصلی ساختارهای عدسی‌های مسطح هستند، با این وجود تجاری شدن این عدسی‌ها به سبب پیچیدگی و گران بودن فرآیند ساختشان دور از دسترس به نظر می‌رسد.

دانشمندان استرالیایی در دانشگاه فنی سویینبرن راهکاری ارائه کرده‌اند که براساس آن مقرر است یک لیزر فمتوثانیه ساختارهای سطحی موضعی برروی سطح فلز ایجاد کند. در نهایت ساختارهای سطحی حاصل از تابش لیزر فمتوثانیه بر سطح فلز مانند یک عدسی تخت عمل می‌کند.

این پروژه به صورت ویژه نشان داد می‌توان این فرآیند را روی تک لایه فلزی دو بعدی برای ساخت عدسی‌های تخت فوق نازک به کار گرفت، مسیری سرراست که پتانسیل دستیابی به مدولاسیون دامنه و فاز مورد نیاز برای عملکرد عدسی‌های شکل گرفته در این لایه‌های فلزی نازک را فراهم می‌کند.

هان لین از محققان دانشگاه فنی سوییبرن و از سازندگان این عدسی‌های نازک مدعی است که نازک ترین مواد جهان را برای ساخت این عدسی‌های تخت به کار گرفته است. عدسی‌های تخت می‌توانند امکان تصویر برداری با وضوح بالا را بیش از پیش فراهم کنند.

مواد اولیه به کار گرفته شده در این پروژه دیکالکوژنیدهای فلز انتقالی[۱] بود. این ترکیب از جفت شدن فلز انتقالی با سولفور، سلنیوم[۲] یا تلوریووم[۳] به دست می‌آید. این مواد به سبب خاصیت برهمکنش نور- ماده قوی‌ای که دارند کاندیدای نسل بعدی ابزارهای اپتوالکترونیک در ابعاد نانومتری هستند، اما تا به امروز به کارگیری آنها به شکل فوق نازک تولید عدسی‌هایی با وضوح محدود را رقم زده است.

فرآیند تازه ساخت که توسط این تیم طراحی شده است یک لیزر ۱۰۰ فمتوثانیه‌ای را با طول موج ۸۰۰ نانومتر روی تک لایه‌های تک کریستالی ترکیبات دیکالکوژنیدهای فلز انتقالی متمرکز می‌کند. اولین هدف یک WSe₂ تک لایه با ضخامت حدود ۷ آنگستروم بود.

آسان، انعطاف پذیر و کم هزینه

در این روش نوع برهمکنشی که بر سطح اتفاق می‌افتد منحصر به فرد است، پالس فوق کوتاه فقط انرژی را به الکترونها منتقل می‌کند نه به یونهای فلزی. اثر فوتوشیمیایی پیوندهای W-Se را می‌شکند و یک یون تنگستن سرد برای واکنش با اکسیژن آزاد می‌شود. در این هنگام نانو ذرات WO_x روی سطح تشکیل می‌شود.

نکته مهمی که در مقاله این کار هم به آن اشاره شده است این است که این فرآیند به شکل قابل ملاحظه ای با کندوسوز لیزری با موج پیوسته که با گرم شدن کل شبکه ایجاد می‌شود و هیچ نانو ذره‎ای تشکیل نمی‌شود متفاوت است.

یک سطح متحرک که با کامپیوتر کنترل می‌شود اجازه می‌دهد که لیزر طرح حلقه‌های هم مرکز را روی سطح ایجاد کند. بنابراین به همان ترتیبی که طرح ایجاد می‌شود ساختارهای نانویی روی فلز شکل می‌گیرند. ارتفاع ساختارهای نانویی ۲۰ نانومتر و اندازه جانبی آنها ۵۰ تا ۱۵۰ نانومتر است.

تکرار فرآیند روی تک لایه‌های مولیبدن و پلاتین و آزمون خواص نوری آنها نشان داد که عدسی‌های حاصل از TMDC قادر به ایجاد وضوح جانبی زیر طول موج و بازده تمرکز ۳۱ درصد است.

مهمتر اینکه برای اولین بار با وجود چنین عملکرد تمرکز بالایی توانایی تصویر برداری حد پراش عدسی‌های مبتنی بر تک لایه مواد واندروالس به دست آمد.

احتمالاً این راهکار می‌تواند با استفاده از مواد دو بعدی، منجر به کوچک شدن اندازه ابزار نوری شود و پتانسیل به کارگیری به عنوان عدسی میکروسکوپ‌ها، تلسکوپ‌ها و دوربین‌ها را دارد.

از مزایای عدسیهای تختی که از تک لایه مواد دوبعدی ایجاد می‌شوند، سادگی اتصال به دستگاه‌ها، یکپارچه سازی و استفاده از لیزر فمتوثانیه در ساخت آنها است. به این ترتیب کل فرآیند ساده به نظر می‌رسد، روشی که به اندازه کافی انعطاف پذیر و کم هزینه است تا اعضای تیم این پروژه پس از انتشار نتیجه تحقیقات خود در مجله Light Science & Applications به کاربردها و آینده تجاری آن بسیار امیدوار باشند.

 

Source: https://optics.org/news/11/8/26

https://www.nature.com/articles/s41377-02000374-9

 

[۱] Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs)

[۲] Selenium

[۳] Tellurium