導讀
近日，美國哥倫比亞大學工學院的研究人員成功地製造出首個平面透鏡，它無需任何額外的元件，就能將廣泛色彩範圍內的任意偏振光線，正確地聚焦到同一焦點。這種革命性的“平面”透鏡厚度僅為一微米，比紙更薄，且性能可媲美頂級複合透鏡系統。
背景
在不同的材料與結構中，不同顏色的光線會以不同的速度傳播。這就是為什麼我們看到白色光線通過稜鏡折射後，會被分解成組成不同顏色的光線，這種現象稱為“色散”。
對同一種介質來說，光的頻率越高，介質對這種光的折射率就越大。在可見光中，紫光的頻率最高，紅光頻率最小。當白光通過三稜鏡時，稜鏡對紫光的折射率最大，光通過稜鏡後，紫光的偏折程度最大，紅光偏折程度最小。這樣，三稜鏡將不同頻率的光分開，就產生了光的色散。
因為“色散”的存在，所以普通透鏡無法將不同顏色的光線聚焦到一點。這意味著不同顏色的光線無法同時合焦，這樣一來，由這種簡單透鏡所形成的圖像將不可避免地變得模糊不清。傳統的成像系統可通過疊加多個透鏡解決這一問題，但是這種解決方案卻是以增加複雜度和重量為代價的。
之前，筆者介紹過一個備受關注的熱門研究方向：超材料。它是指一類通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的材料。“超材料”構成的薄層就是超表面（metasurface），它能對入射光的振幅、相位、偏振等進行靈活的調控，具有強大的光場操控能力。
例如，用超表面控制光線傳播方向，會產生一種有趣的物理現象：“隱形斗篷”。光波會繞過物體，如同流水繞過石頭一樣。
超表面，既具有強大的光場操控能力，同時又是一種非常薄的超材料，所以可製作成超薄的平面超透鏡。接下來，與大家一起回顧一下之前介紹過的超透鏡方面的研究案例，例如：
第一，韓國基礎科學研究所（IBS）集成納米結構物理中心的科學家們與英國伯明翰大學、韓國科學技術院（KAIST）的科學家們合作開發的具有可調功能的、信用卡般厚度的平面超透鏡。
第二，美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研人員開發出的大面積自適應超透鏡（metalens），有望成為未來的“人造眼”。
（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）
第三，哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科學家團隊開發出首個超透鏡，它可以將整個可見光光譜（包括白光）聚焦到同一個點，並達到很高的分辨率。
（圖片來源：Jared Sisler / Harvard SEAS）
創新
近日，美國哥倫比亞大學工學院的研究人員成功地製造出首個平面透鏡，它無需任何額外的元件，就能將廣泛顏色範圍內的任意偏振光線，正確地聚焦到同一焦點。這種革命性的“平面”透鏡厚度只有一微米，比紙更薄，且性能可媲美頂級的複合透鏡系統。
下圖為：Sajan Shrestha、Adam C. Overvig 和 Nanfang Yu
研究團隊由應用物理系副教授 Nanfang Yu 領導。相關成果在一篇於10月3日發表在《Light: Science & Applications》期刊上的新論文中得到了詳細描述。
技術
傳統的透鏡會讓照射在它上面的光線，經過不同路徑傳播，從而讓完整的光波在同一時間到達焦點。為了使得製造的透鏡達到這一效果，當光線從透鏡的邊緣傳播到中心時，需要為其增加延時量。這就是為什麼傳統透鏡的中心要比邊緣更厚。
為了發明更薄、更輕、更便宜的透鏡，Yu 的團隊採用了不同的方案。研究人員利用了他們在光學“超表面（metasurfaces）”方面的專長，製造出由像素或“超原子（meta-atom）”組成的平面透鏡。每個超原子的尺寸僅為光波長的幾分之一，並能不同程度地推遲通過它的光線。
研究人員在基底上刻畫出如同人類髮絲一樣薄的超薄納米結構平面層，達到了同樣厚度與重量的傳統透鏡系統所具備的功能。展望未來，他們預計超透鏡將取代笨重的透鏡系統，就像平面屏幕電視取代陰極射線管電視一樣。
下圖中的頂部圖像：寬頻超透鏡片段的掃描電子顯微圖像。它們由位於玻璃基底上的各種橫截面形狀的硅納米片組成。底部圖像：展示了多元件超透鏡成像系統的兩個元件。
下圖展示了兩種平面透鏡。前景部分，一種新型平面透鏡將所有顏色的光線聚焦於同一點。作為對比，背景部分的平面鏡頭無法進行顏色校正。
價值
Yu 表示：“我們的平面透鏡的優點在於，通過採用複雜形狀的超原子，不僅為單色光，也為連續光譜，提供了正確的延時分佈。而且由於它們非常薄，所以有望顯著降低成像所用的任意光學儀器或設備的尺寸和重量，例如攝像頭、顯微鏡、望遠鏡甚至是我們的眼鏡。我們可以想象未來將出現比紙更薄的眼鏡、不會凸起的智能手機攝像頭、無人駕駛汽車和無人機的成像與感知系統所使用的薄片、醫療成像所用的小型工具。”
Yu 的團隊採用了類似製造計算機芯片的標準二維平面製造技術，來製造這些超透鏡。他們說，大規模製造超透鏡的工藝會比製造計算機芯片更簡單，因為它們只需要定義一層納米結構。相比之下，現代計算機芯片需要多層，有些多達100層。這種平面超透鏡的優點在於，不同於傳統的透鏡，它們無需經過昂貴且耗時的研磨與拋光工藝。
Yu 的小組的博士生、論文的共同領導作者 Sajan Shrestha 表示：“我們的平面透鏡可通過大規模並行化製造，從而生產出大量高性能且便宜的透鏡。因此，我們可以將我們的設計發送給半導體鑄造廠來量產，從行業的固有規模經濟中得益。”
平面透鏡可將波長範圍在1.2微米到1.7微米之間的近紅外波段的光線聚焦於同一點，由於所有的顏色同時聚焦，所以能形成近紅外波段的“彩色”圖像，這對於彩色攝影來說很有必要。透鏡可以聚焦任意偏振狀態的光線，所以它不僅可以工作在偏振控制得很好的實驗室環境下，也可以工作在環境光線隨機偏振的真實世界條件下。此外，它也能對透射光起作用，以便集成到光學系統中。
論文的另一個共同領導作者、Yu 的另一個博士生 Adam Overvig 表示：“我們的設計算法詳細討論了將界面刻畫成二進制圖案的所有自由度，因此，我們的平面透鏡的性能逼近了單個納米結構界面所能達到的理論極限。實際上，我們已經演示了理論上具有最佳綜合特徵的為數不多的平面透鏡。對於給定直徑的超透鏡而言，我們已經實現了跨越最大波長的範圍的最緊湊的焦點。”
美國賓夕法尼亞大學教授、納米光子學和超材料領域專家 Nader Engheta （沒有參與這項研究）表示：“這是 Nanfang Yu 教授的小組所完成的一項漂亮的工作，同時也是平面光學領域的振奮人心的研究成果。這種消除色差的超透鏡，是超表面工程中最先進的技術，它可以為包括成像、感知以及小型攝像頭技術在內的一系列應用的創新打開新的大門。”
未來
現在，Yu 及其同事們製造的超透鏡的性能正在逼近高質量的透鏡成像系統的性能，而重量和尺寸卻更小。但是，團隊還面臨另外一個挑戰：提升透鏡的效率。這種平面透鏡目前並不是最佳的，因為入射光功率的一小部分不是被平面透鏡反射掉，就是散射到不想要的方向上。讓團隊感到樂觀的是，效率並不是根本性問題，而且他們也正忙於設計新的策略來應對效率問題。此外，他們也在與行業夥伴討論進一步開發和授權這項技術。
關鍵字
光學、成像、超透鏡
【1】https://engineering.columbia.edu/press-releases/nanfang-yu-flat-lens
【2】Sajan Shrestha, Adam C. Overvig, Ming Lu, Aaron Stein and Nanfang Yu. Broadband Achromatic Dielectric Metalenses. Light: Science & Applications, 2018; DOI: 10.1038/s41377-018-0078-x
【3】Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Amplitude Modulation of Anomalously Refracted Terahertz Waves with Gated-Graphene Metasurfaces. Advanced Optical Materials, 2017; 1700507 DOI: 10.1002/adom.201700507
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