由日本理化學研究所光量子光學研究中心田中拓夫領(lǐng)導的國際合作研究小組開發(fā)了一種可以通過光的偏振來控制焦距的超透鏡。

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

這一次，一個國際聯(lián)合研究小組成功地開發(fā)了一種超透鏡，它通過改變?nèi)肷涔獾钠穹较騺砀淖兘咕唷?超透鏡是一種厚度僅為750納米的超薄透鏡，由納米級（nm，1nm是十億分之一米）的人工結(jié)構(gòu)組成，比光的波長更細。 通過設計構(gòu)成這種超透鏡的納米結(jié)構(gòu)，使其僅響應特定的光偏振（偏振），我們成功地通過改變光偏振方向自由改變透鏡的焦距。該研究于近日發(fā)表在科學期刊《納米快報》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設備，例如可變放大倍率相機的變焦鏡頭、雙筒望遠鏡、光學顯微鏡和投影儀。 最近，智能手機相機等小型光學單元也配備了可變放大倍率的光學鏡頭。 然而，到目前為止，主流的方法是構(gòu)建具有多個鏡頭的光學系統(tǒng)，并通過機械改變鏡頭之間的距離來確定有效焦距，但由于鏡頭是機械移動的，因此很難快速改變焦距。 此外，還存在諸如需要鏡頭驅(qū)動機構(gòu)等問題，這使得光學系統(tǒng)本身更加復雜和龐大。

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

因此，一個國際聯(lián)合研究小組利用超表面技術(shù)開發(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

一個國際合作研究小組開發(fā)了一種新的焦距可變超透鏡，它可以通過改變光的偏振來改變焦距，使用僅響應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)僅對具有特定偏振方向（偏振光）的光作出響應。 這種納米結(jié)構(gòu)由長方體氮化鎵（GaN）組成，通過改變光波的大小（W）和深度（L），可以改變照射時給予光波的相位（圖1a）。 此外，通過在特定方向上排列具有不同W和L的不對稱結(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)

（一）構(gòu)成超透鏡的基本元素的納米結(jié)構(gòu)。 它由藍寶石（Al2O3）襯底和在襯底表面形成的長方體氮化鎵（GaN）組成。

（二）偏振角θ=0°（x偏振）入射時的焦點和當時的焦距fx。

（三）偏振角0°《θ《90°入射時的聚焦光斑。

（四）偏振角θ=90°（y偏振）入射時的焦點，此時焦距fy。

因此，我們設計了一種不用作透鏡的超透鏡，方法是在X方向上對偏振光進行類似于透鏡形狀的相移，并在垂直于其Y方向上對偏振光進行隨機相移（圖2a）。 賦予這種特殊光學特性的能力是超透鏡的最大特點，這是通過拋光傳統(tǒng)玻璃或其他材料制成的透鏡無法實現(xiàn)的。 當用X偏振光照射該超透鏡時，由于透鏡中的相移，光聚焦在焦距fx位置。 另一方面，即使照射Y偏振光，光也不會集中并按原樣傳輸（圖2c）。 構(gòu)成這種超透鏡的一組納米結(jié)構(gòu)被稱為A組。 另一方面，納米結(jié)構(gòu)也可以設計成具有隨機相移的透鏡，用于X偏振和Y偏振光的焦距fy（圖2b，d）。 構(gòu)成這種超透鏡的納米結(jié)構(gòu)組稱為B組。

圖2.變焦距和生成光斑強度分布的超透鏡的相位特性

（一）X偏振光（藍色）通過超透鏡發(fā)生類似于凸透鏡的相移，光線聚焦，而Y偏振光（紅色）則發(fā)生隨機相移，光線不聚焦。

（二）與（a）相反，光是通過隨機相移到x偏振光（藍色）和類似于凸透鏡的相移到y(tǒng)偏振光（紅色）來收集的。

（三）（a） 超透鏡產(chǎn)生的聚焦光斑。X偏振聚焦在焦距fx上。

（四）（b） 超透鏡產(chǎn)生的聚焦光斑。Y偏振光聚焦在焦距fy上。

我們將設計一種超透鏡，其中這兩種類型的納米結(jié)構(gòu)（A組和B組）集成在單個基板表面上，因此它們不會相互影響。 然后，當 X 偏振光入射到該超透鏡上時，光聚焦在焦距 fx 位置，當 Y 偏振光入射時，光聚焦在焦距 fy 位置。 然后，當斜向的偏振光注入時，偏振分量在x方向和y方向上分解，在x方向偏振分量的fx位置和y方向偏振分量的fy位置形成兩個光斑。 總光強度分布是兩個光點強度的總和。 此時，如果事先設計了fx和fy的值，使原來兩個光斑的峰值在相加后不會出現(xiàn)在光強分布中，即距離使得兩個峰之間沒有發(fā)生壓痕，則添加的光斑將是fx和fy之間只有一個峰的光斑。 然后，當偏振方向從x方向旋轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向時，光斑位置也從fx到fy連續(xù)變化（圖3）。

圖3.變焦距原理

將兩個光斑加在一起形成一個光點。 （a） 偏振角為30°時聚焦光斑的強度分布。 （b）偏振角為45°時聚焦光斑的強度分布。 無論哪種情況，如果光的設計使得 x 偏振光和 y 偏振光的兩個聚焦點之間沒有壓痕，它就會變成單個聚焦點（黑色實線）。

實驗中，在藍寶石（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)涂成藍色。

圖5顯示了原型可變焦距超透鏡光學特性的測量結(jié)果。 圖5a顯示了當光的偏振方向改變時，光斑的形狀和位置如何變化。 圖5c顯示了偏振方向為x方向（θ = 0°）、y方向（θ = 90°）和中間傾斜方向（θ = 45°）時光斑強度分布的測量結(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度峰值位置（對應于焦距）之間的關(guān)系。 紅線的實驗結(jié)果表明，焦點位置（焦距）隨偏振方向的轉(zhuǎn)換幾乎呈線性變化。 圖5b中的藍線是通過理論計算得到的光斑位置。 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算結(jié)果幾乎相同。

我們還證實，即使改變焦距，光斑的形狀也始終是圓形的，光斑形狀不會塌陷。 原型可變焦距超透鏡的結(jié)構(gòu)是基于波長為532 nm的綠光設計的，但我們也證實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特性

（一）改變光偏振方向時產(chǎn)生的光斑的強度分布。

（二）偏振方向與光斑位置（對應焦距）之間的關(guān)系。 紅線為實驗結(jié)果值，藍線為理論計算值。

（三）偏振角為0°、45°和90°時產(chǎn)生的光斑強度分布。

展望未來

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