工程师开发出以异国情调的方式塑造光的光学设备

时间：2021-10-17 18:24:57 来源：

喷气推进实验室和加利福尼亚理工学院的工程师已经开发出创新的平面光学透镜，它们能够以传统光学设备难以或无法实现的方式操纵光。

新镜头不是玻璃制成的。取而代之的是，将硅纳米柱精确地排列成蜂窝状，以形成一个“元表面”，该“元表面”可以控制通过光波的路径和特性。

这些设备的应用包括高级显微镜，显示器，传感器和照相机，可以使用与制造计算机微芯片相同的技术进行大量生产。

JPL的微型设备工程师，描述这种设备的新的自然纳米技术研究的合著者Mahmood Bagheri说：“这些平板透镜将帮助我们制造更紧凑，更坚固的成像组件。

该研究的主要研究员，加州理工学院应用物理和材料科学副教授安德烈·法拉恩说：“目前，光学系统是一次制造一个组件，而这些组件通常是手工组装的。”“但是这项新技术与将半导体芯片印刷到硅片上的技术非常相似，因此可以想象一次制造数百万个系统，例如显微镜或照相机。”

在扫描电子显微镜下可以看到，研究人员创造的新的超表面类似于砍伐的森林，仅存有树桩。每个硅树桩或柱子都有一个椭圆形的横截面，通过小心地改变每个柱子的直径并绕它们的轴旋转，科学家们能够同时操纵通过的光的相位和偏振。

相位与光波峰之间的间隔有关。彼此同相的光波合并产生一个更强大的波。操纵其相位会影响光线的弯曲程度，进而会影响图像是否对焦。偏振是指某些光波仅在特定方向上振动，而自然阳光中的波在所有方向上振动的方式。操纵光的偏振对于高级显微镜，照相机和显示器的操作至关重要。偏振控制还可以实现简单的小工具，例如3-D眼镜和偏光太阳镜。

“如果您想到的是现代显微镜，它的多个组件必须在内部仔细组装，” Faraon说。“但是，使用我们的平台，我们实际上可以制造这些光学组件中的每一个，并使用自动化流程非常容易地将它们堆叠在一起。每个组件的厚度仅为一米的百万分之一，或者不到人发厚度的百分之一。”

此外，新的平面透镜可用于随意修改光束的形状。半导体激光器通常会发射出难以工作的椭圆形光束，新的超表面光学组件可以取代用于使光束圆化的昂贵光学系统。这些设备的小尺寸也将允许更紧凑的系统。

该团队目前正在与工业合作伙伴合作，创建超小型表面，以用于微型相机和光谱仪等商业设备，但与其他学科的科学家合作，已经生产出数量有限的用于光学实验的表面。

目前的工作得到了Caltech / JPL总裁和董事基金以及国防高级研究计划局（DARPA）的支持。Yu Horie得到了能源部能源前沿研究中心计划和日本学生服务组织研究金的支持。器件纳米加工是在加州理工学院的Kavli纳米科学研究所进行的。JPL是Caltech的缩写。

出版物：介电超表面可完全控制相位和极化，并具有亚波长空间分辨率和高透射率，《自然纳米技术》（2015年）； doi：10.1038 / nnano.2015.186

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