Science新突破：超材料鏡頭或將走進尋常百姓家 引領光學革命!

材料牛注：哈佛大學科學家研制出一種600納米厚超材料鏡頭！這類由扭曲光線的超材料制成的平面鏡頭，或許有一天能替代從顯微鏡到手機攝像頭的所有玻璃鏡頭。

超材料鏡頭只有2毫米寬，遠遠沒有一根頭發絲寬！但是它可以放大納米級的物體，并獲得比頂級顯微鏡鏡頭更清晰的焦點。超材料鏡頭有力地詮釋了超材料的神奇力量，它新穎的特性來源于自身奇妙的結構，其表面成的像比光波波長還要小：只有千分之一毫米。

有關新材料鏡頭的報告發表在了Science雜志上，報告的資深作者—哈佛大學的Federico Capasso教授說: “我覺得這項技術將會掀起一場革命。”

超材料鏡頭與我們熟悉的相機和望遠鏡中的彎曲鏡片差異很大，它的鏡頭由表面涂布著幾百萬個“小柱子”的透明石英薄層制成，每個“小柱子”只有幾十納米寬，幾百納米高。單獨來看，每個“小柱子”都與光產生強烈的相互作用。它們的綜合效應是當光線通過小柱子陣列時，光束被切開并朝一個地方聚焦。超材料透鏡是如何復制傳統透鏡的聚焦效果的呢？我們需要計算機運算來找出確切模式。

Capasso教授說道，超材料鏡頭的優點在于它能避免傳統光學玻璃“與生俱來”的缺點—折光差。“毫不夸張地說，我們的圖片質量確實比最先進的物鏡還要好，這可能是革命性的。”超材料的比較對象是頂級的研究用顯微鏡的鏡頭，旨在實現最大的放大效果。超材料鏡頭的平面鏡頭的焦點比比較對象的要清晰30%，這意味著在實驗室中，我們可以觀察到待測樣本更多的細節。

“這項技術之所以具有里程碑意義，還有其他的原因。” Capasso教授接著說，“傳統曲面鏡頭的制造方法依賴于注模成型技術，實際上該技術在19世紀的時候就很成熟了。令人驚喜的是超材料鏡頭的二維鏡片，可以和電腦芯片在同一間鑄造廠里制造，所以可以制造集成電路的車間瞬間都能加工超材料鏡頭了。”

與此同時，超鏡頭材料的制作毫不費力，制作微處理器和記憶芯片的電子產品制造商能夠非常熟練地制作比平面鏡上的“小柱子”還要小得多的部件。然而一個包含數十億小部件的記憶芯片可能成本只有幾磅。

控制成本的關鍵是大規模生產，這也是Capasso教授將移動手機的攝像頭視為發展目標的原因。手機攝像頭的其他大多數部件，包括相機探測器，已經可以由芯片技術制造。Capasso教授認為將芯片技術應用于鏡頭的制造是大勢所趨。此外，超材料鏡頭還有其他很多潛在用途，例如批量生產的用于工廠中質量控制的相機、虛擬現實的耳機中輕量級的光學器件，甚至隱形眼鏡。

超材料鏡頭的原型只有2mm寬，但那只是因為哈佛大學制造設備的局限性。“原則上，可以制造出任何尺寸的超材料鏡頭，” Capasso教授說，“你想要一個12英寸的鏡頭嗎？當然可以，只要有這種鑄造廠，你真的能夠做出來。沒有什么限制。”

鏡頭的精確性取決于“小柱子”的布局和組成。鈦白粉—二氧化鈦，因為它既透明而且可以和可見光發生強烈的相互作用，加上價格又便宜，所以是制作“小柱子”的優良材料。Capasso教授的研究團隊之前曾用硅做過“小柱子”，硅鏡頭觀察紅外線的性能非常好。其他材料可以用于制造紫外線鏡頭。

若想獲得不同的焦點，工程師需要改變“小柱子”的大小、方向和間距，這僅僅意味著用計算機做運算并將結果應用到新設計上而已。

Capasso教授的研究團隊正在著手改造第一個超材料鏡頭的性能，他們還表示，如果可能的話，要做一個超材料雙目鏡頭。

原文鏈接：Flat lens promises possible revolution in optics

本文由編輯部王宇提供素材，孟令曉編譯，趙瑾審核。