麻省理工打造无需物理移动也能变焦的新型超透镜

导读:MIT的工程师们开发出了一种新型的可调金属,它可以在不改变物体物理位置或形状的情况下聚焦于多个深度的物体。镜头不是玻璃做的

照相机已经存在很长时间,使用抛光玻璃作为镜头的时间则几乎跟它们出现的时间一样长。在抛光玻璃镜头,一个精确的曲率允许镜头聚焦光并提供摄影师锐利的图像。如果想要改变焦点,通常需要透镜通过倾斜、滑动或通过机械部件进行物理移动来实现。

然而这些机械部件增加了显微镜和望远镜的复杂性和体积。对此,MIT的工程师们开发出了一种新型的可调金属,它可以在不改变物体物理位置或形状的情况下聚焦于多个深度的物体。镜头不是玻璃做的,相反,它使用的是一种透明的相变材料,可以在加热时重新排列原子结构。

当它重新排列原子结构时,材料跟光相互作用的方式也发生了变化。MIT的研究人员使用微小而精确的图案结构蚀刻出这种材料的表面从而形成一种以独特方式折射或反射光线的超表面。当材料的性质发生变化时,超表面的光学函数发生变化。

在MIT的应用中,当材料处于室温时,它会聚焦光线以在一定距离内产生物体的清晰图像。当材料被加热时,原子结构会发生变化从而使超表面将光线重定向到更远的物体上。这使得超透镜无需任何笨重的机械元件就可以调焦。

 在不需要对透镜组件进行物理操作或导致这些操作所需的机械执行器的情况下改变焦点,可能会在手机或夜视镜中带来新的应用。

  MIT透镜不是传统的光学材料,而是由一种透明的化合物制成,其中的固相,因此原子结构可以改变,以改变其光学特性。这项工作发表在《自然-通讯》上。

  MIT的Mikhail Shalaginov说:“一般来说,在制造后调整一个光学器件的特性是非常具有挑战性的。这就是为什么拥有这种平台就像光学工程师的圣杯一样,它可以让金属烯在大范围内有效地切换焦点。”

  元表面,由纳米结构或材料表面的其他修饰引起的新特性,对于一些应用来说越来越有吸引力,一些制造技术正在开发中。主动可调谐的元表面也是一段时间以来的研究课题,尽管这种元件的调谐范围和光学效率一直有限。

  然而,根据麻省理工学院的项目,由于设计的复杂性和对计算效率高的设计和验证方法的需求,通过有源元表面进行波前整形一直是一个很大程度上未被探索的挑战。

  这个问题是通过使用一种成熟的锗锑和碲的相移化合物(称为GST)来解决的,这种化合物在提供适当数量的热能时,能够在透明和不透明状态之间切换。麻省理工学院对这种化合物进行了改造,增加了额外的硒,形成了GSST。当这种材料发生相变时,它就会从无定形结构变成晶体结构,这影响了材料的折射率,但不会影响其透明度。

  该项目在氟化钙基底上制作了一层1微米厚的GSST,通过将GSST层蚀刻成各种不同形状的结构特征,形成了一个元表面。

  根据理论,当GSST处于非晶态时,其中一组表面结构会与入射光相互作用,但相变为晶态后,其他表面结构反而会与光相互作用,改变材料的宏观光学特性。

  “构建在不同功能之间切换的元表面是一个复杂的过程,需要明智地设计使用什么样的形状和图案。”麻省理工学院材料研究实验室的顾天说。

  “通过了解材料的行为方式,我们可以设计一种特定的图案,这种图案会在非晶态的某一点上聚焦,并在晶相中转变为另一点。”

  在使用来自红外激光源的光和有图案的目标物体的试验中,麻省理工学院使用其metalens创建一个目标的锐利图像,然后加热透镜以引起相位变化。之后,镜头对位于更远处的第二个目标物产生了同样清晰的图像。这证明了在两个不同的深度可以实现成像,而不需要光学元件的任何机械运动。

  麻省理工学院称,这可能是利用集成微加热器以短毫秒脉冲加热材料来实现的,同样的方法也可以允许创建其他中间相态,实现连续的焦距调整。

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