即便是高性能智能手机摄像头,仍然需要依赖一组透镜堆栈,这通常是手机最厚的部分。这种尺寸限制是经典透镜设计固有的特点——厚透镜对于弯曲光线以在相机传感器上捕捉清晰图像至关重要。
过去十年间,光学领域的重大进展致力于克服这一限制,并提出了一种解决方案:超透镜。它们是平坦的,性能与普通透镜相当,不仅比普通人发丝薄40倍,而且由于无需使用玻璃制造而重量轻巧。
一种特殊的超表面由宽度和高度仅百纳米的结构组成(一纳米等于十亿分之一米),可改变光的方向。利用这种纳米结构,研究人员能够显著减小透镜尺寸并使其更紧凑。
当与特殊材料结合时,这些纳米结构可用于探索光的其他特殊性质。非线性光学便是一例,即光从一种颜色转换为另一种颜色。绿色激光笔即遵循此原理:红外光穿过高质量晶体材料并产生半波长的光——在本例中为绿光。铌酸锂是产生此类效应的知名材料,常用于电信行业制造连接电子设备与光纤的元件。
苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的Rachel Grange教授致力于研究用此类材料制造纳米结构。她与团队开发出一种新工艺,可利用铌酸锂制造超透镜。该研究近期发表于Advanced Materials期刊。
这位物理学家将化学合成与精密纳米工程相结合以实现其新方法。"含有铌酸锂晶体前体的溶液在液态时即可进行压印。其工作原理类似于古腾堡印刷机,"共同第一作者、Rachel Grange指导的博士生Ülle-Linda Talts解释道。一旦材料被加热至600°C,便会呈现晶体特性,从而能像绿色激光笔那样实现光转换。
该工艺具有多重优势。使用传统方法生产铌酸锂纳米结构十分困难,因其极其稳定坚硬。据研究人员称,此技术适用于大规模生产,因反向模具可重复使用,可按需印制任意数量的超透镜。相较于其他铌酸锂微型光学器件,其制造成本更低且速度更快。
能产生新光的超薄透镜
借助此技术,Grange课题组的苏黎世联邦理工学院研究人员成功制造出首个具有精密设计纳米结构的铌酸锂超透镜。这些器件在发挥常规聚光透镜功能的同时,还能同步改变激光波长。当波长为800纳米的红外光穿过超透镜时,另一侧会输出波长为400纳米的可见辐射并聚焦于指定点。
Rachel Grange称之为"光转换魔力"的现象,唯有通过超薄超透镜的特殊结构及其组成材料(该材料允许发生所谓的非线性光学效应)才得以实现。此效应不受特定激光波长限制,使该工艺在广泛应用中具备高度通用性。
从防伪钞票到下一代显微工具
超透镜及类似生成全息图的纳米结构可用作安全特征,使钞票和证券具备防伪功能,并保障艺术品的真实性。其精密结构因尺寸微小而无法通过可见光观测,但其非线性材料特性可实现高度可靠的认证。
研究人员还可利用简易相机探测器转换并引导激光发射,使红外光(例如在传感器中)变为可见光。或用于减少尖端电子制造中深紫外光刻所需的设备。
这类被称为"超表面"的超薄光学元件领域,是物理学、材料科学与化学交叉研究中相对年轻的学科。"我们目前仅触及表面,非常期待看到这类新型高性价比技术未来将产生多大影响,"Grange强调道。
Story Source:
Materials provided by ETH Zurich. Original written by Peter Rüegg. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
2025-06-21
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