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超透镜方面的最新进展汇总
发布时间:2024-03-26    来源:搜集汇总   阅读次数:6453 分享到:
超透镜被视为传统光学领域的颠覆性技术,是光学最前沿之一,近期协会又汇总了超透镜方面的最新进展,一起看看。

1、由中国和英国科学家组成的团队制造了迄今为止分辨率最高的光学成像透镜。
19世纪以来,医生们一直认为,光学显微镜存在一个分辨率极限,超出这个极限就无法清楚地看到物体。当物体小于200纳米,比如一些病毒,它们在光学显微镜下就难以辨认了。
但在2000年,英国帝国理工学院的科学家约翰·彭德里提出了一个可以解决这个问题的“超透镜”的概念。超透镜是由混合了金属和其他物质的等离子体材料制成,可以生成亚波长级别的图像。
武汉大学教授郑国兴说:“光学成像技术的最终目标在于分辨率。超透镜突破了分辨率极限,令物理学家感到吃惊。然而,由金属和电解质制成的混合表面可能导致严重的光学损耗,这个问题已经存在了20年。”郑没有参与这项研究。
从事这项最新研究的是一个国际团队,由香港大学的张霜教授和香港大学现任校长张翔教授领导,彭德里和中国国家纳米科学中心的研究人员参与其中。在这项研究中,研究人员找到了一种将分辨率极限提高一个量级、至数十纳米的方法。
该团队使用了多个频率的组合来提高分辨率,并抵消超透镜的光学损耗。他们的研究成果18日发表在同行评议的《科学》杂志上。
他们使用数学公式将复杂的光波转化为简单波的组合,然后利用这些简单波提供的信息来弥补图像质量的损失。
换句话说,这就像使用光谱的不同颜色来创造一种新的颜色,这种颜色可以显示比原初颜色更多的细节。利用这种方法,实现超高分辨率成像是可能的。
张霜对记者说:“我们首先从理论上证明了这种方法,然后借助微波频段双曲超构材料的超透镜实验,对这一方案进行了验证。成像效果与我们的理论预期高度一致。”
在此基础上,该团队成功地设计了一种超透镜,并在实验室中将其成像分辨率提高了约一个量级。
张翔对记者说:“这是一种美丽而通用的方法,可用于多个光频,并可拓展到其他波系统——如声波、弹性波和量子波——以解决损耗问题。”
《科学》杂志的编辑伊恩·奥斯本在该杂志上写道,这项技术“展示了克服超透镜系统内在损耗的实用方法,有可能让成像和传感能力获得重大提升”。
超透镜可应用于生物医学、光纤通信、纳米技术等需要高分辨率成像的领域。它们可以揭示传统光学成像技术无法看到的亚波长级别的特征。

2、设计准消色差超透镜,为超宽光谱和大孔径消色差元件提供了理论基础
科学家可以利用超构单元(meta-atoms)组成的超透镜对光进行控制,其微米级的厚度极大地减小了光学系统的体积和重量,而这项技术有望彻底颠覆传统光学。超透镜的实际应用一直受到消色差问题的严重困扰:即消色差超透镜(AML)受到带宽、NA和口径的耦合关系的限制,使得传统的消色差方法总是受到加工能力的极大限制。
近日,浙江大学杭州国际科创中心(简称科创中心)极端光学技术与仪器研究院马耀光研究员团队想到了一种全新的设计方法!他们提出了一种新型消色差超透镜的理论,实现了对于超透镜口径、NA、工作波段的理论极限的突破,并有效降低了达到该极限所需要的超构单元的高度及深宽比,为高性能消色差超透镜的实用化提供了新的途径。

用技术,突破理论极限
科学家们曾经提出了一系列方法尝试解决超透镜实际应用中的消色差问题,但仍然受到带宽、NA和口径的耦合关系的限制。其中,色散补偿要求(Group Delay, GD 群延时)会随着口径和NA的变大而变大,而在传统宽带消色差超透镜(Broadband achromatic metalens, BAML)中,大色散意味着meta-atoms的高度也会非常高。因此,大口径大NA的宽带超透镜对色散补偿的要求,使得传统的消色差方法总是受到微纳加工能力的极大限制。
团队创新性地提出了一种突破理论极限的新型消色差设计方法,即准消色差超透镜(Quasi-achromatic metalens, QAML)并分析计算了其物理极限。同时,团队首次提出色散调控特征相位延时(Phase delay,PD)可以根据相位特性进行延拓,压缩对meta-atoms的大色散调控能力的要求。准消色差超透镜克服了有限厚度的色散能力上限,并放宽了消色差超透镜的带宽、口径和NA。这种方法为超宽光谱和大孔径消色差元件提供了理论基础。
准消色差超透镜有效地规避了大孔径和高NA条件下BAML无法达到的高厚度要求,就像一位悄无声息的魔术师,用微观的“魔法天线”重新编排了光的舞蹈,让每一位舞者都可以在没有天花板的地方尽情展现,它进一步推动了紧凑型消色差光学系统的发展。未来,光栅和光涡旋器件都可以基于这一理论进行优化。

以想象,触碰“光学之眼”
如今,超透镜的研发难题正在被逐一攻破,这也让我们离“轻薄、便宜、高效”的超透镜更进一步。
马耀光说,目前,衍射器件的加工已经比较成熟,并在手机镜头、相机镜头等各个领域有广泛应用。未来,在实现了高深宽比的加工技术的条件下,我们期待,团队研发的准消色差超透镜凭借其高性能消色差能力,将进一步应用到手术室、自动驾驶汽车、甚至远征火星的探测器上,医生可以通过更轻便的内窥镜进行更精确的检查,自动驾驶系统能更准确地识别前方的障碍物,火星探测器能在更轻巧的设备下获得更清晰的星体图像。
每一项新事物在从实验室走向产业化、市场化的过程中往往都会充满困难和挑战。“任何技术或者理论要想推向市场并获得广泛应用,都建立在制备工艺可实现规模化生产的基础上,目前我们仅实现了理论和技术的阶段性突破,接下来还需要克服高成本、长制备周期等问题。”马耀光说。
此外,任何光学材料的应用并不是孤立的,不仅要考虑超材料本身的设计制备,还要考虑在与其他已有器件集成的过程中如何更好地结合。“因此,我们还希望做出来的准消色差超透镜具有可控性、稳定性,真正让超透镜实用化,这些都是今后研究的重点和难点。”马耀光说。
用超透镜代替传统的光学镜头,实现平面化、多模式的成像方式,在成像效果不变甚至更强大的前提下让手机、相机的镜头变得更轻薄,提升便携性,增强人们的体验感和佩戴舒适感,这就是团队用科技改变生活的初衷。
本项成果已在线发表在物理学顶级期刊Physical review letters上,完成单位为极端光学技术与仪器全国重点实验室、科创中心极端光学技术与仪器研究院,该研究得到了国家自然科学基金优青项目和浙江省自然科学基金杰青项目的资助。

3、超透镜实现多维度光量子操控
澳大利亚莫纳什大学的Haoran Ren博士、Chi Li博士和悉尼科技大学的Igor Aharonovich教授、韩国浦项工业大学Junsuk Rho教授等合作,报道了一种新型多功能超透镜,用于多维度光量子的操控。该新型超透镜可在室温下同时调制光量子的方向性、偏振态和轨道角动量自由度。
该成果发表在期刊eLight,题为“Arbitrarily structured quantum emission with a multifunctional metalens”。


量子光源

光子又称光量子,最早于1905年由爱因斯坦提出并证实,是光在其电磁波频率下的最小能量单元。光子可以携带信息、能量和动量,从而实现光与物质的交互。量子光源(单光子源)区别于传统的白炽灯,荧光灯,以及激光,脉冲激光等光源,前者在时间上每次仅发射一个光子,先后出发的光子在空间上形成一束光子流 (如图1所示)。这类特殊的光源是量子信息,量子通讯和量子计算等技术的核心。光量子技术的大规模推广和应用离不开器件的微型化和多功能化。例如我们熟知的电子设备,近几十年来在体积变小的同时,实现了更强大和更丰富的功能。相较之下,量子光源的操控仍依赖于传统光学器件,如透镜、分束器、偏振器等,不但体积巨大,往往只能对光量子的某一属性进行单一的操作,难以满足复杂光量子调控的需求。
固态单光子发射器(SPE),例如二维材料六方氮化硼(hBN)中的色心,可在室温下运行,并且由于其稳健性和亮度而备受推崇。从SPE收集光子的传统方式依赖于高数值孔径(NA)的透镜。虽然这种方式的光子收集效率很高,但缺乏多维度操纵的能力。例如为了实现光量子的任意相位调控,需要级联多个厚重的光学元件,如偏振器和相位板等。
近年来,超透镜(metalens)作为一种新型的超薄平面光学器件,引起了广泛的关注和研究。超透镜是利用亚波长尺度的人工结构(超表面)来实现对入射光的相位、振幅和偏振等属性的精确控制,从而实现聚焦、成像、调制等功能。超透镜微型光量子操控平台具有体积小、重量轻、成本低、集成度高等优点,为紧凑化和多功能化的光学系统提供了新的可能。

▍微型光量子操控平台

针对上述问题,澳大利亚莫纳什大学的Haoran Ren博士、Chi LI博士领衔的国际科学家团队开发出一种全新的多功能超透镜,实现了室温下对hBN中SPEs的多维度量子操控。这个新超透镜可以同时调节单光子的方向性、偏振态和轨道角动量等自由度 (如图2A 所示)。超透镜的多功能性是通过对超透镜中每一个纳米结构赋予多个独立功能并最终叠加实现的,即赋予所有空间位置的纳米结构以独立的相位调节能力(图2 B,C)。通过引入不同的螺旋波前,可在不同的正交偏振中产生独特的轨道角动量模式(图2C,甜甜圈形状)。

▍前景展望

该团队展示了量子发射在多个自由度上任意波前塑形的能力,可以释放固态单光子发射器作为高维量子源用于先进量子光学应用的全部潜力。该团队认为,偏振分离对于将来使用hBN SPEs进行偏振纠缠至关重要。操控光子偏振态可显著影响量子密码学和纠缠态分发。超透镜未来可实现高维单光子混合量子态的生成。将基于结构光的量子光源与可靠的传输环境(例如光纤)进行集成,可以实现具有更高信息容量、噪声鲁棒性和更好安全性的量子网络。

4、中红外超透镜分辨率提升至百纳米水平
我国科学家参与的一项研究借助多频率组合复频波激发方法,成功将原有的成像分辨率由照明波长十分之一提升至百分之一,因而可将中红外超透镜的空间分辨率提升至百纳米水平。相关成果18日由国际学术期刊《科学》在线发表。
找到一双又一双“火眼金睛”,不断把微观世界看清楚,是许多科研人员的研究目标。基于极化激元和超构材料构筑的超透镜,此前已将光学成像分辨率提升至数百纳米水平,借此可直接观测微观物质,被广泛应用于生物医学、光纤通信、光学成像等领域。但光学损耗一直以来限制了成像分辨率继续提升。
此次研究提出一种实用的解决方案,即借助多频率组合的复频波激发来获得虚拟增益,进而抵消光学体系的本征损耗。
国家纳米科学中心研究员戴庆表示,研究团队共同创制了光学频段碳化硅极化激元超透镜,并利用合成复频波技术实现了成像分辨率一个量级的提升,这将为光学成像发展提供新的思路。
据介绍,该合成复频波技术有望扩展到光学的其他领域,例如极化激元分子传感和波导器件等,将为提高多频段光学性能和设计高密度集成光子芯片等提供一条潜在途径。
上述研究由香港大学的张霜和张翔团队、国家纳米科学中心戴庆团队与国际合作者共同完成。

5、产业面上,佳能在 2023 年佳能博览会上展示了其对超透镜技术的支持,从历史上看,佳能博览会上展示的大部分新技术创新都在短时间内(通常在短短几年内)推广到市场。超透镜技术领域最大的参与者是 Metalenz 和三星公司,三星仅仅表达了在手机中应用该技术的兴趣。Metalenz 直接从事超透镜的研究和制造,也许是该领域最知名的公司。该初创公司去年 10 月完成了 B 轮融资,并追加了 3000 万美元的融资,凸显了对该技术的兴趣。
国内,深圳迈塔兰斯科技有限公司(MetaLenX)完成亿元A轮战略融资,投资方包括海邦投资、锦富资本、深高新投、天堂硅谷、国联新创,同时老股东云时资本、汇芯投资继续进行加码。本轮融资资金将主要用于超透镜产品落地、量产交付及市场拓展。MetaLenX迈塔兰斯成立于2020年3月,是36氪长期关注的企业,公司专注于超透镜设计、制造及其应用系统开发。
MetaLenX创始人兼CEO郝成龙称,近年,全球科技及消费电子龙头企业开始大力布局超透镜方向,包括苹果、三星、意法半导体、LG等,有行业消息称苹果会从2024年起逐步将超透镜应用于iPad、iPhone等终端设备中。
对于超透镜产品路线,郝成龙表示,大多数学术圈认为包括工业界早期都是认为它最适合做窄带宽,其中最典型的成像为3D传感及激光雷达领域,具备一定的市场潜力。然而宽光谱则面向更广阔的市场,如面向广阔的手机摄像头、监控摄像头、车载摄像头、工业测量、信息通信等等这些都是宽光谱的,拥有达千亿级的镜头市场。
在技术路线上,MetaLenX突破了底层的设计和加工难题,提出了折-超混合系统设计理论,可实现宽光谱全像差校正成像,目前已在某些产品上完成客户验证及落地,超透镜从原理上已具备实现传统镜头的全面替代的可能。
在生产能力上,MetaLenX自主建设的超透镜工程交付中心已建成投产,可完成超透镜在光刻之后的镀膜、MTF检测、切割、光学测试等工作,设备全定制化生产,初步具备百万颗镜头交付能力。此外,MetaLenX正在建设自己的研发及量产制造中心,逐步建立从设计研发到量产交付的全流程体系。

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