平面超薄透镜:颠覆传统光学的技术?

 

原理一脉相承,但用新的技术来演绎,往往会让人眼前一亮。两周前发表在《Science》杂志上的平面超薄透镜就赚足了眼球。...





了解我们,请点击本文。注册思睿学者,请点击“阅读原文”。原理一脉相承,但用新的技术来演绎,往往会让人眼前一亮。两周前,发表在《Science》杂志上的平面超薄透镜技术就赚足了眼球。

传统的透镜往往使用玻璃,树脂,氟化钙等透明材料,加以打磨成型。眼镜片是单个透镜。现代显微镜使用的镜头,为了保证高倍放大下完美的成像质量,往往需要用到多个透镜的组合,售价则可达几千到几万美元。

显微镜物镜内部结构,需要采用多个透镜组来获得最佳的成像效果(图片来源:Nikon.com)
追根溯源,透镜的作用是改变光波的相位。传统的透镜从边缘到中心,有一个渐变的厚度,通过不同厚度的光波产生不同的相位延迟,产生聚焦的效果。


普通透镜的聚焦由光程差产生的相位差产生(图片来源:science)
平面超薄透镜秉承了这个理念。不同的是,在这里,光的相延迟由纳米二氧化钛柱的偏转角度决定。通过现代的电子束蚀刻技术(electron beam lithography)与原子层沉积(Atomic layer deposition)技术,这个偏转角度可以被有序控制,在空间上形成一个特定的分布,使得一定波长的光束被聚焦。

计算机模拟的使用纳米柱阵列产生的聚焦效果。(图片来源:science)
因此,往往厚达几毫米的透镜就可以被几纳米厚的薄层所替代。不仅仅节省了空间,也有希望大幅度降低制造成本。于是有媒体惊呼,以后我们手机中相机镜头要比头发丝还薄了,平面超薄透镜即将颠覆光学。

不过,要真的在手机中应用这一技术,还有很长的一段路要走。问题就在两个字:色差。由于透镜对不同波长的光有不同的折射率,它们便不能汇聚于同一焦点。即使在传统透镜发展过程中的,这个问题也困扰了人们多年。直到发现了两种玻璃可以相互匹配:低折射和低色散的冕牌玻璃(crown glass)与高折射与高色散的燧石玻璃(Flint glass)。将两种玻璃结合在一起,做成消色差的二透镜组(achromatic doublet)。在一种玻璃中产生的色差可以在另外一种玻璃中被补偿,从而消除了色差这一问题。

对于新生的超薄平面透镜,这个问题更为棘手。纳米柱的偏转角度与分布必须满足与波长相关的一个数学关系。从一个波长到另外一个波长,要调整的是整个阵列的分布。因此,原文的作者也没有表示要应用于手机摄像头,只说可以应用于显微镜,光谱学等。毕竟,这样的应用只要覆盖一个很窄的波段而已。不过,他们认为,应用诸如色散相位补偿的技术,也许可以解决超薄透镜的色差问题。


作者:傅元曦
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