超薄平面透鏡實(shí)現(xiàn)完美聚焦

　　美國(guó)研究人員制作出第一個(gè)能精確聚焦的超薄平面透鏡(flat lens)。由于其平面特性，此裝置并沒(méi)有令一般球面透鏡苦惱的光學(xué)像差，因此具有定義良好的焦點(diǎn)。此透鏡的聚焦能力同時(shí)接近繞射定律所規(guī)范的物理極限。

　　這個(gè)透鏡是由哈佛(Harvard)大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)所完成。團(tuán)隊(duì)主持人Federico Capasso表示，目前各種裝置內(nèi)的光學(xué)組件體積都相當(dāng)大，原因是光束必須藉由通過(guò)不同厚度的透鏡來(lái)改變形狀。對(duì)普通透鏡而言，由于光在玻璃中的速度比在空氣中低，行經(jīng)中央較厚區(qū)所花的時(shí)間比行經(jīng)周?chē)^薄區(qū)來(lái)得長(zhǎng)，透鏡中各處相位延遲的結(jié)果導(dǎo)致光線(xiàn)的折射與聚焦。但在此研究中，負(fù)責(zé)將光束塑型的是厚度僅 60 nm的平面透鏡。

　　此超薄平面透鏡的特殊之處在于它是具有納米結(jié)構(gòu)的超穎表面(metasurface)，其上布有次波長(zhǎng)間距的光學(xué)天線(xiàn)(optical antenna)作為光塑型組件。這些天線(xiàn)為波長(zhǎng)大小的金屬結(jié)構(gòu)，在散射特定波長(zhǎng)光線(xiàn)時(shí)能引入些微相位延遲，而研究人員只要改變天線(xiàn)的大小、角度以及間距便能控制超穎表面所對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)。

　　Capasso表示，光學(xué)天線(xiàn)說(shuō)穿了就是一個(gè)共振器，能儲(chǔ)存光稍后再釋出，過(guò)程中的延遲會(huì)造成光束方向改變，作用如同玻璃透鏡。研究人員將不同形狀、大小及方向的天線(xiàn)排列成圖案，讓透鏡上的相位延遲呈放射狀分布，造成離鏡心越遠(yuǎn)的光線(xiàn)折射愈嚴(yán)重，使入射光聚焦于精確的一點(diǎn)上。

　　此透鏡的制作方式是在硅晶圓表面鍍上一層納米級(jí)的黃金，接著部分剝離以留下均勻分布的V形結(jié)構(gòu)(即納米天線(xiàn))數(shù)組。此平面透鏡設(shè)計(jì)可消除球面像差、彗形像差及像散等單色像差，因此能在繞射極限內(nèi)獲得精確的焦點(diǎn)。即使光線(xiàn)入射處遠(yuǎn)離鏡心或以大角度入射，也不需使用復(fù)雜的修正技術(shù)。

　　此透鏡最明顯的用途為攝影及顯微術(shù)，也能應(yīng)用于光纖中供成像與醫(yī)療用途等，或者是任何能取代傳統(tǒng)透鏡的地方。該團(tuán)隊(duì)表示，雖然此透鏡現(xiàn)階段的聚焦效率偏低，但應(yīng)可藉由增加天線(xiàn)排列密度及改變透鏡設(shè)計(jì)予以提升。另外，此透鏡目前僅能聚焦某些特定波長(zhǎng)的光線(xiàn)，不過(guò)Capasso認(rèn)為透過(guò)不同天線(xiàn)數(shù)組的排列有機(jī)會(huì)發(fā)展出寬帶透鏡。

　　該團(tuán)隊(duì)在此實(shí)驗(yàn)中使用了耗時(shí)的電子束微影制程來(lái)制作透鏡，未來(lái)如欲大量生產(chǎn)可采用新的納米微程如納米壓印 (nanoimprinting)及軟微影制程(soft lithography)，以利在可彎曲式基板上制作平面透鏡。詳見(jiàn)Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl302516v。