新型超透鏡：將超表面與液晶技術結合起來

2020-08-28 環球創新智慧

導讀

據美國凱斯西儲大學官網近日報導，該校與哈佛大學以及義大利卡拉布裡亞大學的研究人員合作，將納米結構超表面與液晶技術結合起來，有望革新光學技術。

背景

500多年來，人類已經掌握了將玻璃做成透鏡使光線發生折射，然後彎曲或組合這些透鏡，使近距離和遠距離圖像放大以及變清晰的技術。

（圖片來源：蘋果公司）

然而在過去近十年的時間內，美國哈佛大學的科學家費德裡科·卡帕索（Federico Capasso）開始通過設計平面光學超表面改變光學領域，並利用數百萬個細微的、薄而透明的石英柱陣列來衍射和塑造光線的流動。這與玻璃透鏡的方式大致相同，但卻不像玻璃那樣與生俱來地受&34;制約。

這項技術在2019年被世界經濟論壇（WEF）評為十大新興技術之一。它表明這些越來越小、越來越清晰的透鏡很快就會出現在照相手機、傳感器、光纖線路以及諸如內窺鏡之類的醫學成像設備中。

（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）

世界經濟論壇如此評價：「使手機、計算機以及其他電子設備使用的鏡頭變小，已超出了傳統的玻璃切割和玻璃彎曲技術的能力……這些細微、薄而扁平的透鏡可以代替現有的笨重的玻璃透鏡，並可以使傳感器和醫學成像設備進一步小型化。」

（圖片來源：參考資料【1】）

創新

近日，美國凱斯西儲大學物理系教授 Giuseppe Strangi 與哈佛大學的合作夥伴們將超透鏡的研究又推進了一步，使它們變得「可重構」，從而更加有用。

Giuseppe Strangi 在觀察超透鏡陣列。（圖片來源：凱斯西儲大學）

宣布這一突破的論文於8月初發表在《美國國家科學院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）》上。

Strangi 與其他幾位在美國和歐洲的研究人員進行了合作，包括凱斯西儲大學的研究人員 Andrew Lininger 和 Jonathan Boyd、義大利卡拉布裡亞大學的 Giovanna Palermo，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的 Capasso、Alexander Zhu、Joon-Suh Park。

技術

Strangi 表示，他們通過利用納米力使液晶在這些微柱之間滲透，從而使微柱以全新的方式塑造和衍射光線，「調節」聚焦力來做到這一點。

液晶是格外有用的，因為可以對其進行熱、電、磁或光學操作，這樣有望帶來「柔性」或「可重構」的透鏡。

Strangi 在凱斯西儲大學的 Nanoplasm 實驗室研究的是「極端光學」以及「納米尺度上光線與物質的相互作用」等。他表示：「從16世紀開始我們就知道這項技術，我們相信它有望革新光學。到目前為止，一旦玻璃透鏡被塑造成剛性曲面，就只能以一種方式彎曲光線，除非與其他透鏡組合或者通過物理方式移動它。」

超透鏡改變了這一點，因為它允許通過控制光線的相位、幅度和偏振來設計波前。

（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）

現在，研究人員已經能夠通過控制液晶，讓這些新型超透鏡向著新的科技方向發展，以產生可重構的結構光。

Strangi 表示：「這只是第一步，然而使用這些透鏡有很多的可能性。我們已經在聯絡對這項技術感興趣的公司。」

Lininger 表示，超表面目前應用所面臨的一部分問題是，它們的形狀在生產環節就已經固定，但是「通過實現超表面的可重構性，可以突破這些限制。」

Capasso 開創了平面光學研究領域，並在2014年首先發表了關於超透鏡的研究。他將用液晶滲透超透鏡的創意歸功於 Strangi，並表示這項創新代表朝著更偉大的目標邁出了一步。

Capasso 表示：「我們用液晶可再生產地滲透最先進的超透鏡（由一億五千萬個納米級直徑的玻璃柱製成）以及顯著改變其聚焦特性的能力，預示著我所期待的振奮人心的科技未來將從可重構的平面光學中產生。」

關鍵詞

光學、液晶、超透鏡

參考資料

【1】Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Amplitude Modulation of Anomalously Refracted Terahertz Waves with Gated-Graphene Metasurfaces. Advanced Optical Materials, 2017; 1700507 DOI: 10.1002/adom.201700507

【2】Andrew Lininger, Alexander Y. Zhu, Joon-Suh Park, Giovanna Palermo, Sharmistha Chatterjee, Jonathan Boyd, Federico Capasso, Giuseppe Strangi. Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202006336 DOI: 10.1073/pnas.2006336117

【3】https://thedaily.case.edu/a-new-lens-on-the-world/

相關焦點

  • 科學家開發出動態超表面透鏡技術—新聞—科學網
    從數位相機、纖維光學中的高帶寬到雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）的實驗室設備，透鏡技術在各個尺度均取得進展。
  • 創世紀:鏡頭革命,從超構表面到超構透鏡
    緊接著，Capasso在2016帶領研究團隊提出了超構透鏡技術，這種表面覆蓋納米柱的新型透鏡的厚度能夠做到比普通鏡片薄10萬倍，並且擁有易生產、成本低等優勢。研究團隊通過設計平面光學超構表面來取代傳統透鏡，並利用數百萬個細微的、薄而透明的石英柱陣列來衍射和塑造光線的流動。這與玻璃透鏡的方式大致相同，但卻不像玻璃那樣與生俱來地受"像差"的制約。
  • 從超構表面到超構透鏡
    我們通過將兩個納米薄膜結合為一個元件，這樣可以調整納米結構材料中的光速，以確保使用一個單一的超透鏡就可以將可見光中的所有波長都聚焦在同一個點上，相對於複合的標準消色差透鏡來說，這大大減少了透鏡的厚度和設計的複雜度。
  • MEMS與超透鏡相結合,在傳感器中操控光線
    DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學的研究人員進行合作，首次將在光通信、生物成像、雷射雷達（LIDAR）系統中廣泛應用的兩種技術：微機電系統（MEMS）和超透鏡結合到了一起，成功地製造出位於MEMS平臺頂層之上的超透鏡。
  • 創紀錄的超透鏡可能會革新光學技術
    超透鏡是一種通過人工方式將具有特殊電磁特性的光學天線，按照一定方式進行排列的二維平面透鏡結構，可實現對入射光振幅、相位、偏振等參量的靈活調控，在超分辨顯微成像、全息光學、消色差透鏡等方面具有重要應用。超透鏡不僅突破了傳統光學透鏡的電磁屬性，其二維的平面結構更易於加工和集成，為光學透鏡的小型化與集成化提供解決方案。
  • 消除像差:超透鏡的新突破將革新光學技術
    採用傳統透鏡消除像差的方法會使得系統體積變得龐大。而採用超材料設計超透鏡可以解決體積龐大的問題，但是消除像差的頻帶不寬、效率不高的問題再次向研究人員發起挑戰。超材料是具有自然材料所不具備的物理性質的人造材料，它可以實現控制光波的振幅相位以及偏振態，光隱身、光聚焦、金屬水等黑科技都源自他的功勞。而利用超材料設計超透鏡可以在亞波長尺度控制光波，也就是說實現不到1微米透鏡來消除成像的像差。在現有的報導中，已經有許多令人興奮的成果，但是超透鏡在實現高效率和大帶寬範圍消除像差仍然是一個挑戰。
  • 晶圓級超表面光刻技術
    近日，新加坡A*STAR微電子研究中心的Nanxi Li等人在Nanophotonics上發表綜述，總結了使用CMOS兼容的光刻技術來製備大面積納米結構超表面的最新工作，主要包括控制步長來光刻超表面器件的開拓性工作，以及採用沉浸式光刻技術製備超表面器件的工作，詳細的介紹了器件的製備步驟和器件性能
  • 新型超表面結構設計:實現任意色散調控
    在工程中，產生色散的傳統方法是利用不同材料串聯起來獲得不同的折射率，但這種方法所設計的光學元件不容易集成化也不利於大規模生產。超表面的出現給工程中的色散提供了新的方法。光學超表面是由散射體單元組成的二維陣列，可以取代傳統元件，使得平面光學系統能夠像半導體晶片一樣大規模生產。
  • 美研究者實現基於MEMS的可重構超透鏡
    人造的亞波長金屬和/或介電模式使得超表面具有特殊的光學性質，該性質可通過在2D平面上排布納米光學元件來進行調諧，從而模擬常規體光學透鏡的相位分布。在該論文中，研究人員指出雖然超表面研究並不是新技術，但它們往往是靜態的。因此，將超表面安裝在如2D掃描器等靜電驅動MEMS平臺會上開闢新的應用領域，目前這些領域往往正在使用較重的傳統透鏡。
  • 王漱明：紮根超構表面 堅守赤子情懷
    求索開拓，埋首超構材料研究談起對於超構材料的研究，王漱明話語的興致逐漸高漲起來。我國對於超構材料的研究歷史還要追溯到十幾年前。21世紀以來，隨著微納加工技術的迅速發展，光子晶體、超構材料、表面等離激元學等一系列基於固體微納結構的研究課題受到了研究者們的廣泛關注。
  • 研究人員受跳蛛啟發研發超透鏡 結合高效算法可測量深度距離
    蓋世汽車訊 據外媒報導，儘管技術在不斷發展，但是在研發方面，什麼發展都比不上進化。以跳蛛為例，儘管它們的大腦很小，卻有著令人震驚的深度感知能力，從而可讓它們從遠於身體長度幾倍的距離精確地撲向毫無戒心的目標物。
  • 美研究人員將超表面安裝在2D掃描器等靜電驅動MEMS平臺
    人造的亞波長金屬和/或介電模式使得超表面具有特殊的光學性質，該性質可通過在2D平面上排布納米光學元件來進行調諧，從而模擬常規體光學透鏡的相位分布。 在該論文中，研究人員指出雖然超表面研究並不是新技術，但它們往往是靜態的。因此，將超表面安裝在如2D掃描器等靜電驅動MEMS平臺會上開闢新的應用領域，目前這些領域往往正在使用較重的傳統透鏡。
  • MIT 實現「超表面」透鏡技術新突破,快速繪製各種光學效果圖案...
    我們大多數人都知道光學透鏡是一種曲面透明塑料或玻璃，而顯微鏡，眼鏡和相機等設備都通過它們來聚焦光線。在大部分情況下，透鏡的曲面形狀自數個世紀前的誕生日以來就沒有發生過太大的變化。但在過去十年間，工程師已經開出一種名為「超表面」的超薄材料。超表面可以實現遠遠超過傳統曲面透鏡的光線技術。
  • 研究人員創造出能夠勝過人眼的「自適應超透鏡」
    據外媒報導，在過去的十年裡，數個行業迎來了重大技術進步。我們已經看到了現代智慧型手機以及平板電腦等的崛起，新一代遊戲機，醫療人工智慧創新，以及越來越高效和強大的計算機硬體。現在，由於哈佛SEAS研究人員團隊宣布了一項突破性研究成果，我們看到了光學鏡片行業的又一次重大飛躍。
  • 新型透鏡或將引發光學儀器變革
    用這種方法加工出的超材料可以像普通玻璃透鏡一樣實現光線的聚焦，但體積和重量都明顯低於玻璃透鏡。來自美國的研究人員近日開發出一種全新的透鏡，這種新型透鏡像紙一樣薄，卻可以發揮常規的玻璃透鏡一樣的功能，或許會給光學儀器帶來革命性的變化。
  • 潮科技 | 超表面技術取得突破,有望讓鏡頭更薄、更輕、成本更低
    在過去的十年中，研究人員開始研究超表面（metasurfaces）技術，期望革新現有的透鏡。 超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料，可以通過亞波長的微結構來調控電磁波的偏振、相位、振幅、頻率等特性，是一種結合了光學與納米科技的新興技術。超表面可視為超材料的二維對應。
  • Plasmon Nanojet：超透鏡將光擠入納米空間
    藝術家對超透鏡的構想是將雷射束壓縮為更易於控制的低波長這種物理現象可以實現光的納米級聚焦，並且從理論上講，允許工程師繞過普通會聚透鏡的基本限制之一。為了將它們用作緊湊型設備中的信號載體，必須對光波進行嚴格壓縮，而緊湊型設備的工作速度將比當今的電子產品快得多。該研究發表在2020年6月15日的《光學快報》上。
  • 基於時空相位調製超表面實現非互易光傳播的新方法
    研究人員在實驗上通過附加超快時間相位調製證實了該動態超表面設計。他們結合兩個相干波的外差幹涉產生的多太赫茲時變調製，將動態相變引入超表面。這種方法為製造緊湊、可集成的非互易光學元件提供了一種潛在的思路。該研究成果於12月發表在《Light: Science & Applications》期刊上。
  • 哈佛大學成功研發全玻璃、釐米級全光譜超透鏡
    來源：映維網 作者 廣州客超透鏡平面主要通過納米結構聚焦光線，而它有望徹底改變從顯微鏡到照相機，再到傳感器和顯示器的一切。但到目前為止，大多數透鏡都能做到閃光片般的大小。儘管這種尺寸已經能夠在特定應用中實現出色的效果，但在弱光等透鏡需要大於瞳孔的條件下，我們需要更大的透鏡，比如說虛擬實境應用。現在，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的研究團隊開發了一種全玻璃、釐米級的可見光譜超透鏡，並可以通過常規晶片生產方法進行製造。這份研究已經發表在《Nano Letters》期刊中。
  • 儀表今日看點:超透鏡研究取得重大突破 基因檢測再上新臺階
    1月10日消息，超透鏡的研究近日取得重大突破。哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院團隊（SEAS）宣布他們目前已經成功開發出了首個能夠以高解析度將包括白光在內的整個可見光光譜聚焦於一點的超透鏡。今日的儀器儀表行業還有哪些值得關注的重要內容呢？下面一起來了解詳情。