新型超薄鱼网消色差超透镜:将改革光学应用领域

发布时间:2020-06-28

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我们许多人每天都在跟透镜打交道,比如纠正视力的眼镜或放大镜中的镜片即为透镜。透镜(英语:lens)是一种将光线聚合或分散的设备,通常是由一片玻璃构成,也有由树脂或水晶等透明材料制成。

传统的光学透镜通过玻璃等的厚度变化来调节入射光相位实现聚焦的,这样的透镜体积大、笨重、而且只能将光聚焦在有限的几个波长上。

随着光学科技的不断发展,传统光学透镜难以满足如大规模集成、器件小型化、功能多样化等要求。为此科技人员开发出了超透镜(英语:metalens)。

超透镜是一种通过人工方式将具有特殊电磁特性的光学天线,按照一定方式进行排列的二维平面透镜结构,可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控,在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面具有重要应用。超透镜不仅突破了传统光学透镜的电磁属性,其二维的平面结构更易于加工和集成,为光学透镜的小型化与集成化提供解决方案。

现在,加州大学的科学家们开发出了一种新型的、创纪录的、超薄超透镜(ultrathin metalens),它使用一系列细小的、相互连接的波导,类似于鱼网,以创纪录的效率将光聚焦在从可见光到红外的波长范围内。如图所示超透镜的示意图,它由微小的钛波导构成,右边是单个波导的示意图。

新型超薄鱼网消色差超透镜:将改革光学应用领域

所以该透镜被称为“鱼网消色差超透镜”,英语:Fishnet-Achromatic-Metalens,简称:FAM。这种超透镜扁平而紧凑,可以做得足够小以适合日益小型化的需要。这种技术发展将导致改变太阳能、虚拟现实技术、医学成像、光信息处理以及其他依赖于光学的应用领域的革命性进展。

加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学副教授、首席研究员、布巴卡·坎特(Boubacar Kanté)说:“我们攻克了被视为基本的障碍。” “简而言之,这是世界上最薄、最高效、最宽带的平板透镜。”

新型超薄鱼网消色差超透镜:将改革光学应用领域

尽管在过去的十年中已经提出了许多方法来实现平面透镜,但是这种新型超透镜是首次实现达到了多性能的组合。

该团队证明了其鱼网消色差超透镜能够捕获从640纳米(红橙色光)到1200纳米(红外光)范围内70%的入射光。如此宽波长范围内进入鱼网消色差超透镜的光将聚焦在透镜另一侧的单个点上。

坎特说:“这些结果令我们感到非常兴奋,因为许多应用需要同时处理广谱中的多个波长。” “比如在太阳能应用中就是这种情况,我们需要将所有颜色的光聚焦到高效的太阳能电池或太阳能集中器上。”

坎特说,下一步的一个很好的步骤是开发可以实现大规模生产的工艺。