超薄平面透鏡實現(xiàn)完美聚焦

　　美國研究人員制作出第一個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。此透鏡的聚焦能力同時接近繞射定律所規(guī)范的物理極限。

　　這個透鏡是由哈佛(Harvard)大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團隊所完成。團隊主持人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不同厚度的透鏡來改變形狀。對普通透鏡而言，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)所花的時間比行經(jīng)周圍較薄區(qū)來得長，透鏡中各處相位延遲的結(jié)果導(dǎo)致光線的折射與聚焦。但在此研究中，負責(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)，其上布有次波長間距的光學(xué)天線(optical antenna)作為光塑型組件。這些天線為波長大小的金屬結(jié)構(gòu)，在散射特定波長光線時能引入些微相位延遲，而研究人員只要改變天線的大小、角度以及間距便能控制超穎表面所對應(yīng)的特定波長。

　　Capasso表示，光學(xué)天線說穿了就是一個共振器，能儲存光稍后再釋出，過程中的延遲會造成光束方向改變，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，造成離鏡心越遠的光線折射愈嚴(yán)重，使入射光聚焦于精確的一點上。

　　此透鏡的制作方式是在硅晶圓表面鍍上一層納米級的黃金，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)數(shù)組。此平面透鏡設(shè)計可消除球面像差、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。即使光線入射處遠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。該團隊表示，雖然此透鏡現(xiàn)階段的聚焦效率偏低，但應(yīng)可藉由增加天線排列密度及改變透鏡設(shè)計予以提升。另外，此透鏡目前僅能聚焦某些特定波長的光線，不過Capasso認為透過不同天線數(shù)組的排列有機會發(fā)展出寬帶透鏡。

　　該團隊在此實驗中使用了耗時的電子束微影制程來制作透鏡，未來如欲大量生產(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Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl302516v。