這個扁平的超透鏡是首個可以在同一點(diǎn)上以高分辨率聚焦整個可見光譜(包括白光)的單一透鏡。它使用了二氧化鈦納米薄膜組來平均聚焦光的波長并消除色差。
超透鏡的扁平表面使用納米結(jié)構(gòu)聚光，承諾用簡單和扁平的表面來取代目前光學(xué)器件中使用的龐大彎曲透鏡并引發(fā)一場光學(xué)革命。但是，這些超透鏡仍然在他們可以集中的光譜方面有所局限?，F(xiàn)在，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的一個研究小組開發(fā)出了首個單一透鏡，它可以將整個可見光譜(包括白光)以高分辨率聚焦在同一個點(diǎn)上。這在傳統(tǒng)透鏡中只能通過疊加來實(shí)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究發(fā)表于Nature Nanotechnology。
聚焦整個可見光譜和白光(所有光譜顏色的組合)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槊總€波長都會以不同的速度穿過材料。例如，紅色波長在通過玻璃時比藍(lán)色的更快，所以兩種顏色將不能同時到達(dá)相同的位置，這種差異導(dǎo)致了焦點(diǎn)不同，并產(chǎn)生了被稱為色差的圖像失真。
相機(jī)和光學(xué)儀器使用了不同厚度和材料的多個曲面透鏡來校正這些色差，當(dāng)然這也加大了設(shè)備的體積。
Federico Capasso是該研究的高級作者，同時也是Robert L. Wallace教授帶領(lǐng)的應(yīng)用物理和SEAS Vinton Hayes高級電氣工程研究團(tuán)隊(duì)中的一員，他說：“超透鏡要優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡。超透鏡較薄，易于制造且成本效益高。該突破將這些優(yōu)勢擴(kuò)展到了整個可見光領(lǐng)域。這是下一個大的進(jìn)展。
哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室(OTD)已經(jīng)保護(hù)了與這個項(xiàng)目有關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)，并且正在尋求將其商業(yè)化的機(jī)會。
Capasso和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的超透鏡試用了二氧化鈦納米薄膜組來平均聚焦光的波長并消除色差。之前的研究表明，通過優(yōu)化納米薄膜的形狀、寬度、距離和高度，不同波長的光可以在不同的距離處得到聚焦。在這個最新的設(shè)計(jì)中，研究人員創(chuàng)造了成對的納米薄膜單位，可以同時控制不同波長的光的速度。成對的納米薄膜控制著超表面上的折射率，并且為穿過不同薄膜的光調(diào)整出不同程度的延遲，從而確保所有波長同時到達(dá)焦點(diǎn)。
“在設(shè)計(jì)無色差的寬波段透鏡時，最大的挑戰(zhàn)之一就是要確保超透鏡各點(diǎn)輸出的波長同時到達(dá)焦點(diǎn)，”SEAS的博士后研究員，也是該論文的第一作者Wei Ting Chen說。“通過將兩個納米薄膜結(jié)合為一個元件，我們可以調(diào)整納米結(jié)構(gòu)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(diǎn)上，相對于復(fù)合的標(biāo)準(zhǔn)消色差透鏡來說，這大大減少了透鏡的厚度和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。”
這項(xiàng)研究的共同作者之一Alexander Zhu說：“使用我們的消色差透鏡，我們可以進(jìn)行高質(zhì)量的白光成像，這使我們向?qū)⑺鼈冋系较鄼C(jī)等常見光學(xué)設(shè)備中的目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。”
接下來，研究人員的目標(biāo)是把鏡頭直徑放大到1厘米左右。這將引出一系列新的可能性，例如在虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。
這篇論文由Vyshakh Sanjeev、Mohammadreza Khorasaninejad、Zhujun Shi和Eric Lee合著。它得到了空軍科學(xué)研究辦公室的部分支持。這項(xiàng)工作的一部分將在納米系統(tǒng)中心(CNS)進(jìn)行，該中心是國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施(NNCI)的成員，受到了國家科學(xué)基金會的支持。
