Une lentille optique en graphène 300 fois plus mince qu’une feuille de papier!

Lentille optique : le besoin

Une lentille optique ultramince devait être créée pour que les technologies associées à la photonique et la nano-optique puissent continuer d’évoluer dans l’infiniment petit.

Le principe avait déjà fait l’objet de démonstrations en utilisant des matériaux à base de métaux comme l’or; les lentilles étaient toutefois inefficaces et onéreuses à produire. La mise au point d’un prototype fonctionnel était entravée par l’absence d’un matériau approprié.

Xiarui Zheng, doctorant au centre de micro-photonique de l’Université de Swinburne en Australie, tentait depuis deux ans de façonner une lentille optique en utilisant l’oxyde de graphène. L’équipe dirigée par la professeure Baohua Jia a développé une imprimante 3D pour produire une lentille optique rapidement et à moindre coût utilisant l’oxyde de graphène pulvérisable. Ils ont réussi à créer une lentille optique plate très solide, flexible, 300 fois plus mince qu’une feuille de papier, qui ne pèse qu’un microgramme.

Figure 1. La professeure Baohua Jia tenant la nouvelle lentille optique en graphème conçue par son équipe.

Cette microlentille optique d’un milliardième de mètre d’épaisseur est dotée d’une orientation tridimensionnelle précise et réglable qui permet une vue de détails d’éléments de 200 nanomètres. Cela permettra par exemple de prendre des images plus nettes d’une bactérie.

Figure 2. Illustration du principe de conception de la lentille optique. (a) Conception et fabrication au laser de la lentille optique ultramince. (b) Amplitude et modulation de phase fournies par la différence de transmission et par l’indice de réfraction, respectivement, entre les zones de GO et de RGO. (c) Profil topographique de la lentille optique mesurée avec un profileur optique. (d) Gauche: Représentation schématique de la manipulation par le front d’onde optique converti en onde plane incidente en un front d’onde sphérique. Droite : Distributions d’intensité de la tache focale 3D prédite par le modèle analytique pour une lentille optique. (e, f) Distributions d’intensité focales théoriques dans les directions latérale et axiale. (g, h) Répartitions d’intensité correspondantes expérimentales des directions latérales et axiales.

Les retombées de cette nouvelle technologie

Ce nouvel objectif promet de révolutionner le monde de la technologie et l’exploration de l’infiniment petit. Il ouvre la porte à l’amélioration des téléphones mobiles, des nano-satellites, de la télémédecine, des ordinateurs, etc.

La technologie mobile et la médecine à distance

Cette nouvelle technologie a le potentiel de réduire la taille et le poids des téléphones mobiles, en intégrant des caméras plus efficaces et moins lourdes. Si cela se produit, les caméras de téléphone pourraient focaliser la lumière à proximité du spectre infrarouge pour réaliser des images infrarouges qui rendent possible le diagnostic médical à distance. La chirurgie non invasive peut profiter d’un nouvel endoscope plus sophistiqué et plus précis grâce à cette nouvelle lentille. C’est une application en cours de développement pour l’équipe de la professeure Jia.

Les sciences informatiques

Ce sera le domaine pouvant le plus profiter de cette technologie à long terme pour augmenter l’efficacité des puces photoniques utilisées dans les supercalculateurs et dans la distribution à ultra haut débit et réduire considérablement la consommation d’énergie.

Les images satellites

L’équipe du professeure Jia débute une collaboration avec des chercheurs en Australie pour l’utilisation de cette lentille dans les nanosatellites. Elle va permettre une réduction des coûts et une augmentation d’efficacité.

Les lentilles optiques qui sont actuellement utilisées pèsent quelques centaines de grammes, tandis que les nouvelles lentilles développées à l’Université de Swinburne pèsent seulement un microgramme. L’intégration de ces nouvelles lentilles engendrera d’importantes économies et une meilleure qualité d’image de la Terre et de l’espace.

Pour de plus amples informations, nous vous invitons à consulter l’article de recherche suivant : Zheng, X., Jia, B., Lin, H., Qiu, L., Li, D. & Gu, M Highly efficient and ultra-broadband graphene oxide ultrathin lenses with three-dimensional subwavelength focusing. Nature Communications 6, 8433 (2015).