实现红外光可视化的超薄透镜

即使是高性能智能手机摄像头，仍需要一组透镜堆栈，这通常是手机最厚的部分。这种尺寸限制是经典透镜设计的固有特征——厚透镜对于弯曲光线以在相机传感器上捕获清晰图像至关重要。

过去十年光学领域的重大进展致力于克服这一限制，并提出了一种超透镜形式的解决方案。它们是平面的，性能与普通透镜相同，不仅比普通人头发丝薄40倍，而且由于无需玻璃制造而重量轻巧。

一种由宽度和高度仅为数百纳米（一纳米等于十亿分之一米）的结构组成的特殊超表面，可改变光线的传播方向。利用这种纳米结构，研究人员能大幅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。非线性光学就是一个例子，它能将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基于此：红外光穿过高质量晶体材料后产生波长减半的光——在此情况下为绿光。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组件。

苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所教授Rachel Grange致力于研究利用此类材料制造纳米结构。她与团队开发了一种新工艺，使铌酸锂可用于制造超透镜。该研究近期发表于《先进材料》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，其运作原理类似古腾堡印刷机，"共同第一作者、Rachel Grange指导的博士生Ülle-Linda Talts解释道。材料加热至600°C后即呈现晶体特性，实现如绿色激光笔中的光转换功能。

该工艺具有多重优势：传统方法难以制造铌酸锂纳米结构，因其稳定性极高且质地坚硬；研究人员称此项技术适用于大规模生产，因逆向模具可重复使用，实现按需印制超透镜；相比其他铌酸锂微型光学器件，其制造成本更低、速度更快。

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批具有精确设计纳米结构的铌酸锂超透镜。这些器件在发挥普通聚光透镜功能的同时，还能同步改变激光波长：当波长为800纳米的红外光穿透超透镜时，另一侧会输出波长为400纳米的可见光并聚焦至指定点。

Rachel Grange所称的这种光转换"魔法"，唯有通过超薄超透镜的特殊结构及其构成的材料（允许发生所谓的非线性光学效应）才能实现。该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。

从防伪钞票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，使钞票和证券具备防伪功能，并保障艺术品真实性。其精密结构因尺寸微小而无法用可见光观测，同时非线性材料特性可实现高度可靠的真伪验证。

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（例如传感器中的信号）变为可见光；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，对于这种新型高性价比技术未来将产生的深远影响感到无比振奋，"Grange强调道。