"Esta investigación combina avances en la tecnología muscular artificial con la tecnología metalens para crear metalenos sintonizables que pueden cambiar su enfoque en tiempo real, al igual que el ojo humano", dijo Alan She, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. "Vamos un paso más allá para desarrollar la capacidad de corregir dinámicamente las aberraciones como el astigmatismo y el cambio de imagen, que el ojo humano no puede hacer de manera natural".

Una amplia gama de aplicaciones

"Esto demuestra la viabilidad del zoom óptico integrado y el enfoque automático para una amplia gama de aplicaciones que incluyen cámaras de teléfonos celulares, anteojos y hardware de realidad virtual y aumentada", dijo Federico Capasso, Robert L.

Wallace Profesor de Física Aplicada y Vinton Hayes Senior Research Fellow en Ingeniería Eléctrica en SEAS y autor principal del artículo. "También muestra la posibilidad de microscopios ópticos futuros, que operan completamente de forma electrónica y pueden corregir muchas aberraciones simultáneamente".

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización. Para construir el ojo artificial, los investigadores primero necesitaron escalar los metalenos. Los metalentes anteriores eran aproximadamente del tamaño de una sola pieza de brillo. Centran la luz y eliminan las aberraciones esféricas a través de un patrón denso de nano estructuras, cada una más pequeña que una longitud de onda de luz.

"Debido a que las nanoestructuras son tan pequeñas, la densidad de información en cada lente es increíblemente alta", dijo. "Si se pasa de una lente de 100 micras a una de tamaño de un centímetro, habrá aumentado la información necesaria para describirla por diez mil. Siempre que tratemos de escalar la lente, el tamaño del archivo solo hincharse hasta gigabytes o incluso terabytes ".

Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron un nuevo algoritmo para reducir el tamaño del archivo y hacer que los metalenos sean compatibles con la tecnología utilizada actualmente para fabricar circuitos integrados. En un artículo publicado recientemente en Optics Express, los investigadores demostraron el diseño y la fabricación de metalenses de hasta centímetros o más de diámetro. "Esta investigación ofrece la posibilidad de unificar dos industrias: la fabricación de semiconductores y la fabricación de lentes, por lo que la misma tecnología utilizada para fabricar chips informáticos se utilizará para fabricar componentes ópticos basados ​​en metasurface, como lentes", dijo Capasso.

Un nuevo dispositivo multifuncional

Luego, los investigadores necesitaron adherir los metalenos grandes a un músculo artificial sin comprometer su capacidad de enfocar la luz. En el ojo humano, la lente está rodeada por el músculo ciliar, que estira o comprime la lente, cambiando su forma para ajustar su distancia focal. Capasso y su equipo colaboraron con David Clarke, profesor de materiales de la familia Tarr extendido en el SEAS y un pionero en el campo de las aplicaciones de ingeniería de los actuadores de elastómeros dieléctricos, también conocidos como músculos artificiales.

Los investigadores eligieron un elastómero dieléctrico delgado y transparente con baja pérdida, lo que significa que la luz viaja a través del material con poca dispersión, para adherirse a la lente. Para hacerlo, necesitaron desarrollar una plataforma para transferir y adherir la lente a la superficie suave.

"Los elastómeros son tan diferentes en casi todos los aspectos de los semiconductores que el desafío ha sido cómo combinar sus atributos para crear un nuevo dispositivo multifuncional y, especialmente, cómo diseñar una ruta de fabricación", dijo Clarke. "Como alguien que trabajó en uno de los primeros [VIDEO]microscopios electrónicos de barrido (SEM) a mediados de la década de 1960, es emocionante formar parte de la creación de un microscopio óptico con las capacidades de un SEM, como el control de la aberración en tiempo real".

El elastómero se controla aplicando voltaje. A medida que se estira, cambia la posición de los nanopilares en la superficie de la lente. Los metalenos pueden ajustarse controlando tanto la posición de los pilares en relación con sus vecinos como el desplazamiento total de las estructuras. Los investigadores también demostraron que la lente se puede enfocar simultáneamente, controlar aberraciones [VIDEO]causadas por astigmatismos, así como realizar cambios de imagen. Juntos, la lente y el músculo tienen solo 30 micrones de grosor.

"Todos los sistemas ópticos con múltiples componentes, desde cámaras hasta microscopios y telescopios, tienen ligeras desalineaciones o tensiones mecánicas en sus componentes, dependiendo de la forma en que fueron construidos y su entorno actual, que siempre causarán pequeñas cantidades de astigmatismo y otras aberraciones. , que podría ser corregido por un elemento óptico adaptativo ", dijo She. "Debido a que los metalenos adaptativos son planos, puede corregir esas aberraciones e integrar diferentes capacidades ópticas en un solo plano de control". Luego, los investigadores apuntan a mejorar aún más la funcionalidad de la lente y disminuir el voltaje requerido para controlarla.

La investigación fue co-autor de Shuyan Zhang y Samuel Shian. La investigación fue financiada en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y por la National Science Foundation. Este trabajo se realizó en parte en el Centro de Sistemas a Nanoescala (CNS), que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.