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Vers des objectifs miniatures grâce à des lentilles planes ultraminces

ActualitéClassé sous :physique , lentille , California Institute of Technology

Les lentilles classiques sont particulièrement efficaces. Cependant, comme elles sont incurvées, leur miniaturisation a ses limites. Pour résoudre le problème, des chercheurs américains du California Institute of Technology (Caltech) ont mis au point une nouvelle génération de lentilles ultraminces et planes.

Alors que les lentilles classiques ont une forme incurvée, leurs homologues conçues par une équipes du California Institute of Technology sont planes et parsemées de plus de 140 millions de picots de silicium de 360 nanomètres de hauteur. © Tamasflex, Wikipedia

Des lentilles, on en trouve aujourd'hui un peu partout, de nos lunettes de vue aux objectifs de nos téléphones portables. Leur technique de fabrication est à peu près maîtrisée. L'ennui, c'est que les lentilles, dans leur forme classique, sont incurvées. Il est ainsi impossible de les miniaturiser plus qu'elles ne le sont déjà. Les scientifiques ont déjà eu l'idée de mettre au point des microlentilles, minces et planes, mais celles-ci étaient incapables de focaliser la lumière aussi efficacement que leurs homologues incurvées.

Dans le dernier numéro de Nature Communications, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech), aux États-Unis, ont annoncé avoir mis au point une nouvelle génération de lentilles, parsemées de picots de silicium. Selon eux, ces microlentilles planes offrent des performances optiques semblables à celles de lentilles classiques. Les technologies nécessaires à leurs productions sont par ailleurs directement accessibles à l'industrie. De quoi rêver, à court terme, d'applications grand public et même, promet Amir Arbabi, chercheur au département ingénierie et science appliquée du Caltech, de nouvelles applications jusqu'alors inaccessibles.

Rappelons que les lentilles sont façonnées dans des matériaux présentant des indices de réfraction différents de celui du milieu ambiant. Leur forme incurvée (concave ou convexe) leur permet donc de dévier et de focaliser ensuite les rayons lumineux qui les traversent. La lumière met en effet plus de temps à traverser les parties les plus épaisses de la lentille qu'elle ne met à traverser les parties les plus fines. Dans le cas d'une lentille plane, le phénomène ne peut pas avoir lieu. Il faut donc trouver un subterfuge.

Les microlentilles planes inventées par les chercheurs sont constituées de picots de silicium. Sont représentés sur le schéma : l'image utilisée pour réaliser une microlentille plane (a), l'image en microscopie optique d'une microlentille plane (b) et les images en microscopie électronique à balayage des picots de silicium offrant à la lentille de hautes performances (c, d). Barres d'échelle : 1 picomètre. © Nature Communications

Des picots de silicium pour améliorer les performances des lentilles

Les chercheurs du Caltech proposent de recourir à des nanopicots de silicium de tailles différentes posés sur des lentilles, elles-mêmes en silicium et de seulement quelques micromètres d'épaisseur. De tels picots présentent en effet la propriété de piéger et de retarder la lumière qui les traverse pendant un certain laps de temps. Selon le diamètre et la hauteur du picot, une longueur d'onde donnée est retardée pour une durée donnée. Placés de manière réfléchie sur l'ensemble de la surface de la lentille, ces picots permettent aux chercheurs de focaliser avec précision les rayons lumineux incidents. Pour l'heure, ces lentilles planes restent couteuses à fabriquer mais l'équipe du Caltech assure qu'il devrait être possible de les produire en employant des techniques bien maîtrisées de photographie ou de nanolithographie.

L'étude révèle que ce type de lentille est capable de focaliser 82 % d'une lumière infrarouge incidente. Un résultat largement supérieur à ceux obtenus, par exemple, avec des lentilles planes métalliques. Même si ces lentilles nouvelle génération n'atteignent pas (encore) les 100 % obtenus avec des lentilles classiques, elles présentent malgré tout l'avantage de pouvoir être conçues sur mesure pour s'adapter à une application précise, simplement en modifiant le dessin des nanopicots de silicium.

Chacune de ces microlentilles n'est capable de focaliser qu'une étroite bande du spectre électromagnétique, équivalente à une seule et unique couleur, mais les chercheurs du Caltech entrevoient déjà des solutions. Ces lentilles monochromatiques pourraient par exemple servir à la conception de caméras de vision nocturne qui ne s'intéressent qu'à une étroite bande de longueurs d'onde de l'infrarouge. Elles pourraient aussi servir au cœur de lasers qui, eux aussi, n'émettent que dans une couleur bien précise. Sans compter que leur finesse permet d'imaginer la conception de dispositifs « multi-lentilles », capables de focaliser toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

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