让红外光可见的超薄透镜

即便是高性能智能手机摄像头，仍需要一组镜头堆栈，而这通常是手机最厚的部分。这种尺寸限制是经典镜头设计的固有特征——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。

过去十年间，光学领域的重大进展力求突破这一限制，并提出了一种解决方案：超构透镜。它们呈扁平状，性能与传统透镜相当，不仅厚度仅为人类头发平均直径的1/40，而且由于无需玻璃制造而更为轻巧。

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构表面，可改变光线的传播方向。利用这类纳米结构，研究人员能大幅缩小透镜尺寸并使其更紧凑。

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。非线性光学便是一例，其可将光从一种颜色转换为另一种颜色。绿色激光笔即基于此原理运作：红外光穿透高质量晶体材料后，生成波长减半的光——此案例中为绿光。铌酸锂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元件。

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构透镜。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。材料一旦被加热至600°C，便呈现晶体特性，从而能实现如绿色激光笔中的光转换效应。

该工艺具有多重优势：铌酸锂纳米结构因异常稳定坚硬而难以用传统方法生产；逆向模具可重复使用从而实现规模化量产，按需印制任意数量的超构透镜；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。

可生成新型光线的超薄透镜

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个具有精确设计纳米结构的铌酸锂超构透镜。这些器件在发挥常规聚光功能的同时，还能同步改变激光波长：当800纳米波长的红外光穿透超构透镜后，另一侧会输出400纳米波长的可见辐射并聚焦于指定位置。

Rachel Grange称之为"光线转换的魔力"，这仅能通过超薄超构透镜的特殊结构及其具备非线性光学效应的材料特性实现。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灵活性。

从防伪钞票到新一代显微工具

超构透镜及类似的全息图生成纳米结构可作为安全特征应用于钞票证券防伪与艺术品真伪鉴定。其精细结构因尺寸微小而无法被可见光观测，但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并引导激光发射（例如在传感器中将红外光转为可见光），或精简尖端电子制造中深紫外光刻所需的设备。

这类被称为"超构表面"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方向。"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将产生深远影响，"Grange强调道。