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超透镜(metalens)及其研发进展
发布时间:2022-01-11    来源:网络   阅读次数:116 分享到:
超透镜是利用人造亚波长单元结构在传统介质上进行波前调控的光学器件。是一种通过将具有特殊电磁特性的光学天线,按照一定方式进行排列的二维平面透镜结构,可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控,可以用在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面。超透镜可以将包括白光在内的整个可见光谱,聚焦在同一点上且具有很高的分辨率。

传统的光学透镜通过玻璃等的厚度变化来调节入射光相位实现聚焦的,这样的透镜体积大、笨重、而且只能将光聚焦在有限的几个波长上。

随着光学科技的不断发展,传统光学透镜难以满足如大规模集成、器件小型化、功能多样化等要求。为此科技人员开发出了超透镜(metalens)。

超透镜是一种通过人工方式将具有特殊电磁特性的光学天线,按照一定方式进行排列的二维平面透镜结构,可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控,在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面具有重要应用。超透镜不仅突破了传统光学透镜的电磁属性,其二维的平面结构更易于加工和集成,为光学透镜的小型化与集成化提供解决方案。

在不同的材料与结构中,不同颜色的光线会以不同的速度传播。这就是为什么我们看到白色光线通过棱镜折射后,会被分解成组成不同颜色的光线,这种现象称为“色散”。


对同一种介质来说,光的频率越高,介质对这种光的折射率就越大。在可见光中,紫光的频率最高,红光频率最小。当白光通过三棱镜时,棱镜对紫光的折射率最大,光通过棱镜后,紫光的偏折程度最大,红光偏折程度最小。这样,三棱镜将不同频率的光分开,就产生了光的色散。

因为“色散”的存在,所以普通透镜无法将不同颜色的光线聚焦到一点。这意味着不同颜色的光线无法同时合焦,这样一来,由这种简单透镜所形成的图像将不可避免地变得模糊不清。传统的成像系统可通过叠加多个透镜解决这一问题,但是这种解决方案却是以增加复杂度和重量为代价的。

传统的透镜会让照射在它上面的光线,经过不同路径传播,从而让完整的光波在同一时间到达焦点。为了使得制造的透镜达到这一效果,当光线从透镜的边缘传播到中心时,需要为其增加延时量。这就是为什么传统透镜的中心要比边缘更厚。

研发进展

一、哈佛大学的超透镜metelenses

2018年哈佛大学约翰·a保尔森工程与应用科学学院(海洋)的研究人员在1月1号公布了最新的平面透镜——超透镜metelenses,这是继2016年6月第一次发布的又一次突破。该技术在2016年被评为Science的最佳发现之一。

Metalenses是一个单平面透镜,相比于16年只能收集从红到蓝的可见光光谱,新的metalenses可以将整个可见光光谱(包括白光)集中在同一位置,并在高分辨率下聚焦。这在传统的镜片上是通过堆叠多个镜片来实现的。

将整个可见光谱和白光聚焦是十分具有挑战性的,因为不同波长的光在材料中移动的速度是不一样的。比如,红光会比蓝光更快的穿过玻璃。当两种光在不同时间到达同一位置时,就产生了两个不同的焦点。我们称这一现象为色差。

传统光学仪器使用不同厚度和材料且庞大的透镜解决这一问题。

为了将不同波长的光集中在可见光光谱中,需要的是一种不能吸收或者散射光线的材料,Capasso实验室的罗布说:“我们需要一直能够用高折射率来强力限制光的材料。”在工业中广泛使用的二氧化钛(一种我们生活中无处不在的材料,油漆和防晒霜中都能找到它的身影)则可以解决这个问题。

二氧化钛创造了纳米级的平滑和高宽比纳米结构,这构成了超透镜的心脏。并以此设计了2D纳米级金属天线阵列——metasurfaces。使得平面上形成了无数的小光学元件,借此达到了折射的目的。

Metasurfaces的设计,让metalenses具有了高数值孔径,这意味着它可以把光聚焦在比波长更小的地方,约400纳米。

聚焦的光越紧密,焦点越小,图像的分辨率也就越高。在这样的尺度下,metalenses能够提供比任何一个国家的艺术商业镜头更好的焦点。不过,在2016年时,这项技术还有一个巨大的,也是最难的挑战。那就是修正色度色散——不同波长的光集中在不同距离的镜头的现象,也就是可以将不同的光集中在一起,可以却不在一样的距离。为此,研究人员在metasurfaces的基础上,优化了纳米柱的形状、宽度、距离和高度。同样也是使用的二氧化钛来制造的。

在这个最新的设计中,研究人员建立了配对纳米膜单位,用来同时控制不同波长的光的速度。配对纳米膜可以控制metasurface上的折射率,同时通过将两个纳米膜结合成一个元素,来协调不同时间延迟的光线通过不同的纳米膜,确保所有波长的光同时到达焦点。

同时,metalenses还有一个巨大的优势。正常的镜片必须用手精确抛光,而且任何装配中发生的误差都会使透镜的性能下降。而超透镜只需要一个单一的步骤——一层光刻(平面晶体管和 集成电路生产中的一个主要工艺)就可以了。这样就简单的获得了一个高性能的镜头。

相比较于传统镜片,metalenses的优势是十分明显。它更薄,易于制造而且成本效益更高。其最佳的用途自然是在头戴式设备了,由于复杂的镜片设计,头戴式往往十分沉重,无法长时间佩戴,这对沉浸式游戏体验来说是一个问题,如果能应用metalenses在头戴式设备上,那广大VR、AR玩家的颈部负担就能减轻许多了。研究人员下一步就是要扩大镜头到1cm,这将加速超透镜在VR、AR中的应用。

二、鱼网消色差超透镜
2020年加州大学的科学家们开发出了一种新型的、创纪录的、超薄超透镜(ultrathin metalens),它使用一系列细小的、相互连接的波导,类似于鱼网,以创纪录的效率将光聚焦在从可见光到红外的波长范围内。该透镜被称为“鱼网消色差超透镜”,英语:Fishnet-Achromatic-Metalens,简称:FAM。这种超透镜扁平而紧凑,可以做得足够小以适合日益小型化的需要。这种技术发展将导致改变太阳能、虚拟现实技术、医学成像、光信息处理以及其他依赖于光学的应用领域的革命性进展。

加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学副教授、首席研究员、布巴卡·坎特(Boubacar Kanté)说:“我们攻克了被视为基本的障碍。” “简而言之,这是世界上最薄、最高效、最宽带的平板透镜。”尽管在过去的十年中已经提出了许多方法来实现平面透镜,但是这种新型超透镜是首次实现达到了多性能的组合。该团队证明了其鱼网消色差超透镜能够捕获从640纳米(红橙色光)到1200纳米(红外光)范围内70%的入射光。如此宽波长范围内进入鱼网消色差超透镜的光将聚焦在透镜另一侧的单个点上。

三、美国哥伦比亚大学研发厚度只有一微米的平面透镜

美国哥伦比亚大学工学院的研究人员成功地制造出首个平面透镜,它无需任何额外的元件,就能将广泛颜色范围内的任意偏振光线,正确地聚焦到同一焦点。这种革命性的“平面”透镜厚度只有一微米,比纸更薄,且性能可媲美顶级的复合透镜系统。

为了发明更薄、更轻、更便宜的透镜,Yu 的团队采用了不同的方案。研究人员利用了他们在光学“超表面(metasurfaces)”方面的专长,制造出由像素或“超原子(meta-atom)”组成的平面透镜。每个超原子的尺寸仅为光波长的几分之一,并能不同程度地推迟通过它的光线。

研究人员在基底上刻画出如同人类发丝一样薄的超薄纳米结构平面层,达到了同样厚度与重量的传统透镜系统所具备的功能。展望未来,他们预计超透镜将取代笨重的透镜系统,就像平面屏幕电视取代阴极射线管电视一样。

平面透镜的优点在于,通过采用复杂形状的超原子,不仅为单色光,也为连续光谱,提供了正确的延时分布。而且由于它们非常薄,所以有望显著降低成像所用的任意光学仪器或设备的尺寸和重量,例如摄像头、显微镜、望远镜甚至是我们的眼镜。我们可以想象未来将出现比纸更薄的眼镜、不会凸起的智能手机摄像头、无人驾驶汽车和无人机的成像与感知系统所使用的薄片、医疗成像所用的小型工具。


团队采用了类似制造计算机芯片的标准二维平面制造技术来制造这些超透镜。大规模制造超透镜的工艺会比制造计算机芯片更简单,因为它们只需要定义一层纳米结构。相比之下,现代计算机芯片需要多层,有些多达100层。这种平面超透镜的优点在于,不同于传统的透镜,它们无需经过昂贵且耗时的研磨与抛光工艺。

平面透镜可将波长范围在1.2微米到1.7微米之间的近红外波段的光线聚焦于同一点,由于所有的颜色同时聚焦,所以能形成近红外波段的“彩色”图像,这对于彩色摄影来说很有必要。透镜可以聚焦任意偏振状态的光线,所以它不仅可以工作在偏振控制得很好的实验室环境下,也可以工作在环境光线随机偏振的真实世界条件下。此外,它也能对透射光起作用,以便集成到光学系统中。

四、1毫米左右的超透镜问世

无论相机技术如何发展,相机里的光学镜片却从未发生本质的改变,无论是单反相机、手机、还是制造芯片的光刻机,其运用的光学镜片和四百年前伽利略望向太空的望远镜的镜片是差不多的。

如果可以改变光学镜片的体积,那么现在的摄影技术将迎来巨变,单反相机的体积可以比手表还小,手机镜头将不再过多占用手机内部宝贵的空间,一切能够用到镜头的机器都将发生质变。

2021年11月29号,美国普林斯顿大学的研究人员在《自然·通讯》杂志上发表了一组照片,就是用“超透镜”来拍摄的。

这种超透镜直径只有1毫米左右,跟一粒盐差不多大小,目前超透镜还无法拍出足够清晰的照片,但是已经可以和光学镜头一样成像了。超透镜的体积只有一粒盐大小,现在已经具备成像能力了,要是可以继续提高像素,那么在将来运用场景就太广泛了。

镜头可以做得足够的小,那么在任何物品上都可以安装摄像头,手表、眼镜、手链、项链都可以变为相机。再大胆想象一下,超透镜直径只有1毫米左右,那么就可以植入身体内部了,人体本身都可以成为一部相机。

超透镜技术仅在实验室中,但是作为基础物理科学,它已经隐约展现出了颠覆性的潜力。在未来,超透镜将给我们的生活带来更多惊喜和改变,你们认为超透镜还可以用来做什么?
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