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超薄平面透镜
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超薄平面透镜实现完美聚焦

发布日期:2018-01-06 作者: 点击:

光学棱镜美国研究人员制作出第一个能精确聚焦的超薄平面透镜(flat lens)。由于其平面特性,此装置并没有令一般球面透镜苦恼的光学像差,因此具有定义良好的焦点。此透镜的聚焦能力同时接近绕射定律所规范的物理极限。

这个透镜是由哈佛(Harvard)大学工程与应用科学学院的研究团队所完成。团队主持人Federico Capasso表示,目前各种装置内的光学组件体积都相当大,原因是光束必须藉由通过不同厚度的透镜来改变形状。对普通透镜而言,由于光在玻璃中的速度比在空气中低,行经中央较厚区所花的时间比行经周围较薄区来得长,透镜中各处相位延迟的结果导致光线的折射与聚焦。但在此研究中,负责将光束塑型的是厚度仅60 nm的平面透镜。

光学棱镜

此超薄平面透镜的特殊之处在于它是具有纳米结构的超颖表面(metasurface),其上布有次波长间距的光学天线(optical antenna)作为光塑型组件。这些天线为波长大小的金属结构,在散射特定波长光线时能引入些微相位延迟,而研究人员只要改变天线的大小、角度以及间距便能控制超颖表面所对应的特定波长。

Capasso表示,光学天线说穿了就是一个共振器,能储存光稍后再释出,过程中的延迟会造成光束方向改变,作用如同玻璃透镜。研究人员将不同形状、大小及方向的天线排列成图案,让透镜上的相位延迟呈放射状分布,造成离镜心越远的光线折射愈严重,使入射光聚焦于精确的一点上。

此透镜的制作方式是在硅晶圆表面镀上一层纳米级的黄金,接着部分剥离以留下均匀分布的V形结构(即纳米天线)数组。此平面透镜设计可消除球面像差、彗形像差及像散等单色像差,因此能在绕射极限内获得精确的焦点。即使光线入射处远离镜心或以大角度入射,也不需使用复杂的修正技术。

此透镜最明显的用途为摄影及显微术,也能应用于光纤中供成像与医疗用途等,或者是任何能取代传统透镜的地方。该团队表示,虽然此透镜现阶段的聚焦效率偏低,但应可藉由增加天线排列密度及改变透镜设计予以提升。另外,此透镜目前仅能聚焦某些特定波长的光线,不过Capasso认为透过不同天线数组的排列有机会发展出宽带透镜。

该团队在此实验中使用了耗时的电子束微影制程来制作透镜,未来如欲大量生产可采用新的纳米微程如纳米压印(nanoimprinting)及软微影制程(soft lithography),以利在可弯曲式基板上制作平面透镜。


本文网址:http://www.asgiai.com/news/407.html

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