使红外光可见的超薄透镜

即便是高性能智能手机摄像头，依然需要依赖一组透镜堆栈，而这通常是手机最厚的部分。这类尺寸限制是经典透镜设计的固有特征——厚重的透镜对于弯曲光线、在相机传感器上捕捉清晰图像至关重要。

过去十年光学领域的重大进展致力于突破这一限制，并提出了一种名为超透镜的解决方案。超透镜呈扁平状，性能与传统透镜无异，其厚度不仅比人类平均发丝薄40倍，而且由于无需使用玻璃制造而极为轻巧。

一种由仅数百纳米宽高的结构（1纳米等于十亿分之一米）构成的特殊超构表面可改变光线的传播方向。利用此类纳米结构，研究人员能大幅缩减透镜尺寸并实现更高集成度。

结合特殊材料使用时，这些纳米结构可用于探索光的其他特殊性质。非线性光学便是其中一例：该效应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工作：红外光穿过高品质晶体材料后，产生波长为入射光一半的光线——此例中为绿光。具备此类效应的知名材料是铌酸锂，它在通信工业中用于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致力于研究利用此类材料制备纳米结构。她与团队开发出一项新工艺，实现了铌酸锂超透镜的制造。该研究近期发表于《先进材料》期刊。

在这项创新方法中，这位物理学家将化学合成与精密纳米工程相结合。"含有铌酸锂晶体前驱体的溶液可在液态状态下进行压印，其原理类似于古腾堡印刷术，"与Rachel Grange合作的共同第一作者、博士生Ülle-Linda Talts解释道。材料经600°C加热后呈现晶体特性，从而能像绿色激光笔案例中那样实现光转换。

该工艺具备多重优势：由于铌酸锂异常稳定且坚硬，传统方法难以制备其纳米结构。研究人员指出，该技术可通过反向模具重复使用实现量产，可按需印制任意数量的超透镜，相比其他铌酸锂微型光学器件，其制造成本更低、速度更快。

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备出首个具有精密设计纳米结构的铌酸锂超透镜。这些器件在实现常规聚光功能的同时，还能改变激光波长。当800纳米波长的红外光穿过超透镜时，另一侧会输出波长400纳米的可见光辐射并聚焦至预设点位。

Rachel Grange称这种光转换效应为"光学魔法"，其实现完全依赖于超薄超透镜的特殊结构以及具备非线性光学效应的材料构成。该效应不受特定激光波长限制，使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防伪特征，保障钞票证券无法伪造，并验证艺术品真伪。其精密结构因尺寸微小无法被可见光识别，而非线性材料特性则支持高可靠性验证。

研究人员还能利用简易相机探测器转换并引导激光发射，将红外光（例如在传感器中）转为可见光；或用于精简尖端电子制造中深紫外光刻所需的设备。

这类被称作超构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。"目前我们仅触及表面，非常期待这类新型高性价比技术在未来产生深远影响，"Grange强调道。