使不可见红外光显形的超薄透镜

即使是高性能智能手机摄像头，仍然需要一组透镜堆栈，这通常是手机最厚的部分。这种尺寸限制是经典透镜设计固有的特征——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，并提出了一种以超透镜形式存在的解决方案。它们是平面的，性能与普通透镜相同，不仅比人类平均头发薄40倍，而且由于无需由玻璃制成，因此重量轻。

一种特殊的超表面，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，可改变光的方向。利用这种纳米结构，研究人员可以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。非线性光学就是一个例子，在此过程中光从一种颜色转换为另一种颜色。绿色激光笔就是基于这一原理工作：红外光穿过高质量晶体材料，产生波长为其一半的光——在此情况下即为绿光。产生此类效应的一种知名材料是铌酸锂晶体。它在电信行业中用于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致力于研究用此类材料制造纳米结构。她与团队开发了一种新工艺，能够使用铌酸锂制造超透镜。该研究近期已发表在期刊《先进材料》上。

这位物理学家将化学合成与精密纳米工程相结合，实现了她的新方法。“含有铌酸锂晶体前驱体的溶液在其仍处于液态时可进行压印。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，它便呈现晶体特性，从而能够像绿色激光笔那样实现光转换。

该工艺具有多项优势。使用传统方法生产铌酸锂纳米结构非常困难，因为它极其稳定和坚硬。据研究人员称，该技术适用于大规模生产，因为反模可多次使用，从而能够按需印刷任意数量的超透镜。与其他铌酸锂微型光学器件相比，其制造成本也低得多且速度更快。

能产生新光的超薄透镜

利用该技术，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。这些器件在发挥正常聚焦光线透镜功能的同时，还能改变激光的波长。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纳米的可见光辐射，并被导向指定点。

Rachel Grange称这种光转换的魔力，只有通过超薄超透镜的特殊结构及其由允许发生所谓非线性光学效应的材料组成才能实现。该效应不受特定激光波长的限制，使得该工艺在广泛的应用中具有高度通用性。

从防伪钞票到下一代显微镜工具

超透镜及类似的生成全息图的纳米结构可用作安全特征，使钞票和证券具有防伪能力，并确保艺术品的真实性。它们的精确结构过于微小，无法用可见光观察，而其非线性材料特性则允许进行高度可靠的真伪验证。

研究人员还可利用简单的相机探测器来转换和引导激光发射，使红外光（例如在传感器中）变得可见。或用于减少尖端电子制造中用于深紫外光图案化所需的设备。

此类被称为超表面的超薄光学元件领域，是物理学、材料科学和化学交叉领域中一个相对年轻的研究分支。“我们目前仅触及了表面，非常期待看到这种新型经济高效的技术未来将产生多大的影响，”Grange强调道。