可改變焦距的超透鏡

由日本理化學(xué)研究所光子量子光學(xué)研究中心田中拓夫領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作研究小組開(kāi)發(fā)了一種可以通過(guò)光的偏振來(lái)控制焦距的超透鏡。

該研究的結(jié)果有望為超小型數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)顯微鏡和光學(xué)傳感器等小型高性能光學(xué)儀器的創(chuàng)造做出貢獻(xiàn)。

這一次，一個(gè)國(guó)際聯(lián)合研究小組成功地開(kāi)發(fā)了一種超透鏡，它通過(guò)改變?nèi)肷涔獾钠�振方向�?lái)改變焦距。 超透鏡是一種厚度僅為750納米的超薄透鏡，由納米級(jí)（nm，1nm是十億分之一米）的人工結(jié)構(gòu)組成，比光的波長(zhǎng)更細(xì)。 通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)成這種超透鏡的納米結(jié)構(gòu)，使其僅響應(yīng)特定的光偏振（偏振），我們成功地通過(guò)改變光偏振方向自由改變透鏡的焦距。該研究于近日發(fā)表在科學(xué)期刊《納米快報(bào)》上。

可以在光偏振方向上控制焦距的超透鏡示意圖

研究背景

可以改變焦距的鏡頭用于各種光學(xué)設(shè)備，例如可變放大倍率相機(jī)的變焦鏡頭、雙筒望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)顯微鏡和投影儀。 最近，智能手機(jī)相機(jī)等小型光學(xué)單元也配備了可變放大倍率的光學(xué)鏡頭。 然而，到目前為止，主流的方法是構(gòu)建具有多個(gè)鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)，并通過(guò)機(jī)械改變鏡頭之間的距離來(lái)確定有效焦距，但由于鏡頭是機(jī)械移動(dòng)的，因此很難快速改變焦距。 此外，還存在諸如需要鏡頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等問(wèn)題，這使得光學(xué)系統(tǒng)本身更加復(fù)雜和龐大。

一些超透鏡包含微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）已經(jīng)提出可變焦鏡頭通過(guò)使用技術(shù)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械變形或通過(guò)在彈性薄膜表面形成超透鏡并機(jī)械拉伸薄膜以改變納米結(jié)構(gòu)之間的距離來(lái)改變焦距。 然而，由于它們都涉及機(jī)械操作，因此它們與由多個(gè)鏡頭組成的可變焦距傳統(tǒng)鏡頭具有相同的慢響應(yīng)，并且存在使機(jī)制復(fù)雜化的問(wèn)題。

因此，一個(gè)國(guó)際聯(lián)合研究小組利用超表面技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種具有可變焦距的超透鏡，這是一種二維超材料。

研究方法和結(jié)果

一個(gè)國(guó)際合作研究小組開(kāi)發(fā)了一種新的焦距可變超透鏡，它可以通過(guò)改變光的偏振來(lái)改變焦距，使用僅響應(yīng)特定光的偏振的納米結(jié)構(gòu)。

這種可變焦距超透鏡的關(guān)鍵是具有各向異性特性的納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅對(duì)具有特定偏振方向（偏振光）的光作出響應(yīng)。 這種納米結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)方體氮化鎵（GaN）組成，通過(guò)改變光波的大小（W）和深度（L），可以改變照射時(shí)給予光波的相位（圖1a）。 此外，通過(guò)在特定方向上排列具有不同W和L的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，可以使偏振光在特定方向上相移。

圖1.變焦距超透鏡結(jié)構(gòu)