可改變焦距的超透鏡

將兩個(gè)光斑加在一起形成一個(gè)光點(diǎn)。 （a） 偏振角為30°時(shí)聚焦光斑的強(qiáng)度分布。 （b）偏振角為45°時(shí)聚焦光斑的強(qiáng)度分布。 無論哪種情況，如果光的設(shè)計(jì)使得 x 偏振光和 y 偏振光的兩個(gè)聚焦點(diǎn)之間沒有壓痕，它就會(huì)變成單個(gè)聚焦點(diǎn)（黑色實(shí)線）。

實(shí)驗(yàn)中，在藍(lán)寶石（Al2O3）襯底表面形成膜厚為750 nm的氮化鎵（GaN）層，并通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕轉(zhuǎn)換GaN層我們制作了兩種類型的超透鏡原型，孔徑 [5] 分別為 0.1 和 0.01（圖 4）。

圖4.原型變焦距超透鏡的結(jié)構(gòu)

（一）超透鏡的電子顯微照片。 左下角是光學(xué)顯微照片。

（二）Meta Lens 的放大電子顯微照片。 A組的結(jié)構(gòu)涂成粉紅色，B組的結(jié)構(gòu)涂成藍(lán)色。

圖5顯示了原型可變焦距超透鏡光學(xué)特性的測量結(jié)果。 圖5a顯示了當(dāng)光的偏振方向改變時(shí)，光斑的形狀和位置如何變化。 圖5c顯示了偏振方向?yàn)閤方向（θ = 0°）、y方向（θ = 90°）和中間傾斜方向（θ = 45°）時(shí)光斑強(qiáng)度分布的測量結(jié)果。 從圖5a的圖表可以看出，隨著偏振方向從x方向（θ=0°）到y(tǒng)方向（θ=90°）的變化，光斑的位置從24.5 mm變?yōu)?8.6 mm，變化了4.1 mm，光斑的大小沒有明顯變化。 圖5b根據(jù)圖5a的結(jié)果繪制了偏振方向與光斑強(qiáng)度峰值位置（對應(yīng)于焦距）之間的關(guān)系。 紅線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焦點(diǎn)位置（焦距）隨偏振方向的轉(zhuǎn)換幾乎呈線性變化。 圖5b中的藍(lán)線是通過理論計(jì)算得到的光斑位置。 通過對比兩張圖，發(fā)現(xiàn)原型超透鏡的光斑位置與理論計(jì)算結(jié)果幾乎相同。

我們還證實(shí)，即使改變焦距，光斑的形狀也始終是圓形的，光斑形狀不會(huì)塌陷。 原型可變焦距超透鏡的結(jié)構(gòu)是基于波長為532 nm的綠光設(shè)計(jì)的，但我們也證實(shí)了它作為可變焦距超透鏡的功能，適用于從紅色到紫色的不同波長的光。

圖5.原型變焦距超透鏡的光學(xué)特性

（一）改變光偏振方向時(shí)產(chǎn)生的光斑的強(qiáng)度分布。

（二）偏振方向與光斑位置（對應(yīng)焦距）之間的關(guān)系。 紅線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，藍(lán)線為理論計(jì)算值。

（三）偏振角為0°、45°和90°時(shí)產(chǎn)生的光斑強(qiáng)度分布。

展望未來

這項(xiàng)研究成果，實(shí)現(xiàn)了一種小型、超薄的鏡頭，可以高速改變焦距和變焦比。這些鏡頭可以應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域，包括智能手機(jī)相機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器、顯微鏡和醫(yī)療光學(xué)，如雙筒望遠(yuǎn)鏡和內(nèi)窺鏡。結(jié)合超透鏡設(shè)計(jì)的靈活性，允許通過設(shè)計(jì)人工結(jié)構(gòu)的形狀來控制光學(xué)功能，有望實(shí)現(xiàn)精確定制的高性能光學(xué)儀器，以滿足特定應(yīng)用的要求。

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