使红外光变得可见的超薄透镜

即使是高性能智能手机摄像头，仍然需要堆叠多个镜片，这往往是手机最厚的部分。这种尺寸限制是经典透镜设计的固有特征——厚镜片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，光学领域的重大进步致力于克服这一限制，并提出了一种以超透镜形式呈现的解决方案。它们呈扁平状，功能与普通透镜相同，不仅比人类平均头发丝薄40倍，而且由于无需玻璃制造而重量轻巧。

一种由仅百纳米级（1纳米等于十亿分之一米）宽高的结构组成的特殊超表面可改变光线的方向。利用此类纳米结构，研究人员能从根本上缩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非常规特性。非线性光学便是一个例子，即光从一种颜色转换为另一种颜色。绿色激光笔的工作原理即遵循此原理：红外光穿过高质量晶体材料，产生波长为原波长一半的光——此处即为绿光。铌酸锂（lithium niobate）是产生此类效应的知名材料，广泛应用于电信行业，制造连接电子设备与光纤的组件。

苏黎世联邦理工学院量子电子研究所教授Rachel Grange致力于研究使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实现其新方法。"含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的印刷机，"共同第一作者、Rachel Grange指导的博士生Ülle-Linda Talts解释道。该材料一旦加热至600°C，便具备晶体特性，可实现如绿色激光笔中的光转换效应。

该工艺具有多重优势。使用传统方法生产铌酸锂纳米结构难度极高，因其稳定性与硬度超常。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

运用此技术，Grange课题组的苏黎世联邦理工学院研究人员成功制造出首批具有精密设计纳米结构的铌酸锂超透镜。这些器件在实现普通聚光透镜功能的同时，还能改变激光的波长。当波长为800纳米红外光穿过该超透镜时，另一侧会输出波长为400纳米的可见光并被导向指定点。

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具备非线性光学效应（nonlinear optical effect）的材料组合才能实现。此效应不受特定激光波长限制，使其在广泛应用中具有高度通用性。

从防伪纸币到新一代显微镜工具

超透镜及类似生成全息图的纳米结构可用作安全特征，使纸币和证券具备防伪功能，并保障艺术品真伪认证。其精确结构因过于微小而无法用可见光观察，而其非线性材料特性可实现高度可靠的身份验证。

研究人员还能利用简易相机探测器转换与引导激光发射，例如使传感器中的红外光可见化。或用于精简尖端电子制造中深紫外光刻所需的设备。

此类被称为"超表面"（metasurfaces）的超薄光学元件领域，是处于物理学、材料科学与化学交叉前沿的相对新兴研究分支。"目前我们仅触及表面，非常期待这类新型高性价比技术未来能产生重大影响，"Grange强调道。