麻省理工制造出新型超透镜：无需倾斜或移动也能变焦

几个世纪以来，抛光玻璃一直是成像系统的中心部件，它们的精确曲率使镜头能够聚焦光线并产生清晰的图像，无论所观察的物体是一个晶体、一本书的书页、还是遥远的星系。

镜头改变焦点以在所有这些比例下清晰可见，譬如照相机从长焦镜头变为近焦镜头或微距镜头，通常需要通过倾斜、滑动或以其他方式移动镜头来物理聚焦镜头，通常需要借助大量显微镜和望远镜所需要的机械部件。

现在，麻省理工学院的工程师制造出了一种新型的“Metalens”（超透镜），可以聚焦在多个深度的物体上，而无需改变其物理位置或形状。透镜不是由实心玻璃制成，而是由透明的“相变”材料制成，该材料在加热后可以重新排列其原子结构，从而改变材料与光相互作用的方式。

麻省理工研究人员用微小的、精确图案化的结构蚀刻材料的表面，这些结构作为“超表面”（metasurface）一起工作，以独特的方式折射或反射光。随着材料性质的变化，超表面的光学功能也随之变化。在这种情况下，当材料处于室温时，超表面会聚光以在一定距离之外生成物体的清晰图像。材料加热后，其原子结构发生变化，作为响应，超表面将光重新定向以聚焦在更远的物体上。

这样，这种成像的新颖设计可以启用更灵活的光学设备，例如无人机的微型加热镜、手机的超紧凑型热像仪、更为实用的夜视镜等。

麻省理工学院材料研究实验室科学家、顾天（Tian Gu）说：“我们的研究结果表明，我们的超薄可调透镜没有移动部件，可以实现位于不同深度的重叠物体的无像差成像，可与传统的笨重的光学系统相媲美。”

顾和他的同事将研究结果发表在《自然.通讯》杂志上。合著者包括麻省理工学院的胡觉军，Mikhail Shalaginov，张艺非，张凡，苏Peter，卡洛斯·里奥斯，杜庆阳和阿努拉达·阿加瓦尔。麻省理工学院林肯实验室的Vladimir Liberman，Jeffrey Chou和Christopher Roberts；麻省洛厄尔大学，中佛罗里达大学和洛克希德·马丁公司的合作者。

材料调整

新镜头由相变材料制成，研究团队通过调整可擦写CD和DVD中常用的材料来制造。它被称为GST，它包含锗、锑和碲，其内部结构在被激光脉冲加热时会发生变化。这使材料可以在透明状态和不透明状态之间进行切换，这种机制使CD中存储的数据能够被写入、擦除和重写。

今年早些时候，研究人员报告称，在GST中添加了另一种元素硒，以制造新的相变材料：GSST。当他们加热新材料时，其原子结构从无定形、无序的原子缠结转变为更有序的晶体结构。这种相移还改变了红外光穿过材料的方式，影响了折射能力，但对透明度的影响却很小。

该团队想知道，是否可以调整GSST的开关功能以根据其相位将光引导和聚焦在特定点上。这样，这种材料就可以用作主动透镜，而无需机械部件来转移其焦点。

Shalaginov说：“通常，当制造光学器件时，要在制造后调整其特性非常困难。” “这就是为什么拥有这种平台对于光学工程师来说就像是一个核心要素，从而使超透镜可以在很大范围内有效地切换焦点。”

面临困难

在传统的镜头中，玻璃是精确弯曲的，因此入射光束会以各种角度折射离开镜头，并会聚在距离一定距离的点处，这就是镜头的焦距。然后，透镜可以在该特定距离处产生任何物体的清晰图像。要对不同深度的物体成像，必须物理移动镜头。

研究人员不希望依靠材料的固定曲率来引导光，而是希望通过改变焦距随材料相位变化的方式来修改基于GSST的金属元素。

在他们的新研究中，他们制造了一个1微米厚的GSST层，并通过将GSST层蚀刻成各种形状的微观结构，以不同方式折射光来创建“超表面”。

顾说：“构建超表面的过程非常复杂，需要在不同的功能之间进行切换，并且需要明智地设计使用哪种形状和图案。” “通过了解材料的行为方式，我们可以设计一种特定的图案，该图案将集中在非晶态的一个点上，并转变为结晶相的另一个点。”

研究人员通过将新的超透镜调谐至红外光带的激光束对其进行测试，在镜头前方一定距离处，放置了透明物体，该物体由水平和垂直条的双面图案（称为分辨率表）组成，通常用于测试光学系统。

透镜在其初始非晶状态下产生第一图案的清晰图像。然后加热镜片，将材料转变为结晶相。在移除加热源的情况下，镜头产生了同样清晰的图像，这次是第二组更远的条纹。

Shalaginov说：“我们演示了在两个不同深度的成像，没有任何机械移动。”

实验表明，超透镜可以在没有任何机械移动的情况下主动改变焦点。研究人员说，可以用集成的微型加热器制造超透镜，从而以短毫秒的脉冲快速加热材料。通过改变加热条件，可以调谐到其他材料的中间状态，从而实现连续的焦点调节。

Shalaginov解释说：“这就像做牛排，可以做成几分熟到十分熟，也可以做成介于两者之间的其他任何熟的程度。” “将来，这个独特的平台将使我们能够任意控制这种超透镜的焦距。”

相关链接：https://phys.org/news/2021-02-metalens-shifts-focus-tilting.html

源自于：光学人生