新型透镜或将引发光学仪器变革

摘要

来自美国的研究人员利用先进的纳米加工技术在透明的基底上密集排列许多长和高为几百纳米、宽度为几十纳米的长方体状的二氧化钛。用这种方法加工出的超材料可以像普通玻璃透镜一样实现光线的聚焦,但体积和重量都明显低于玻璃透镜。

来自美国的研究人员近日开发出一种全新的透镜,这种新型透镜像纸一样薄,却可以发挥常规的玻璃透镜一样的功能,或许会给光学仪器带来革命性的变化。

(图片来源:https://www.theretrofitsource.com/knowitall/clearlenses.html)

(图片来源:https://www.theretrofitsource.com/knowitall/clearlenses.html)

透镜是许多光学仪器和电子产品不可或缺的组成部分。透镜通常由玻璃制成,而玻璃透镜由于具有一定的体积和重量,常常会使得仪器变得比较笨重,特别是在需要使用多个透镜的时候更是如此。

为了解决这个问题,来自美国的研究人员将目光投向被称为“超材料”(metamaterial)的一类材料。这类材料从化学成分的角度并无特殊之处,但内部微观结构使得它们具有在普通材料中难以实现的一些性质,其中就包括光学性质。他们利用先进的纳米加工技术在透明的基底上密集排列许多长和高为几百纳米、宽度为几十纳米的长方体状的二氧化钛。用这种方法加工出的超材料可以像普通玻璃透镜一样实现光线的聚焦,但体积和重量都明显低于玻璃透镜。之所以选择二氧化钛,主要是由于这种材料对可见光没有明显吸收。

电子显微镜下的新型透镜,标尺为2微米,图片引自原论文

电子显微镜下的新型透镜,标尺为2微米,图片引自原论文

利用这种新型透镜得到的显微照片,标尺为40微米(图A)和5微米(图B至E),图片来自原论文

利用这种新型透镜得到的显微照片,标尺为40微米(图A)和5微米(图B至E),图片来自原论文

虽然此前也有不少研究人员尝试开发基于超材料的透镜,但这些透镜大多只能实现微波波段电磁波的聚焦,因此这项研究成果可以称得上是重要的突破。如果这种材料能够实现批量生产,或许可以让许多需要透镜的设备变得更加轻便小巧。

报道:Video: Glitter-sized 'metalenses' may soon power your smartphone camera

论文:Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging

 

编译:魏昕宇

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