导读
近日，美国哥伦比亚大学工学院的研究人员成功地制造出首个平面透镜，它无需任何额外的元件，就能将广泛色彩范围内的任意偏振光线，正确地聚焦到同一焦点。这种革命性的“平面”透镜厚度仅为一微米，比纸更薄，且性能可媲美顶级复合透镜系统。
背景
在不同的材料与结构中，不同颜色的光线会以不同的速度传播。这就是为什么我们看到白色光线通过棱镜折射后，会被分解成组成不同颜色的光线，这种现象称为“色散”。
对同一种介质来说，光的频率越高，介质对这种光的折射率就越大。在可见光中，紫光的频率最高，红光频率最小。当白光通过三棱镜时，棱镜对紫光的折射率最大，光通过棱镜后，紫光的偏折程度最大，红光偏折程度最小。这样，三棱镜将不同频率的光分开，就产生了光的色散。
因为“色散”的存在，所以普通透镜无法将不同颜色的光线聚焦到一点。这意味着不同颜色的光线无法同时合焦，这样一来，由这种简单透镜所形成的图像将不可避免地变得模糊不清。传统的成像系统可通过叠加多个透镜解决这一问题，但是这种解决方案却是以增加复杂度和重量为代价的。
之前，笔者介绍过一个备受关注的热门研究方向：超材料。它是指一类通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的材料。“超材料”构成的薄层就是超表面（metasurface），它能对入射光的振幅、相位、偏振等进行灵活的调控，具有强大的光场操控能力。
例如，用超表面控制光线传播方向，会产生一种有趣的物理现象：“隐形斗篷”。光波会绕过物体，如同流水绕过石头一样。
超表面，既具有强大的光场操控能力，同时又是一种非常薄的超材料，所以可制作成超薄的平面超透镜。接下来，与大家一起回顾一下之前介绍过的超透镜方面的研究案例，例如：
第一，韩国基础科学研究所（IBS）集成纳米结构物理中心的科学家们与英国伯明翰大学、韩国科学技术院（KAIST）的科学家们合作开发的具有可调功能的、信用卡般厚度的平面超透镜。
第二，美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发出的大面积自适应超透镜（metalens），有望成为未来的“人造眼”。
（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）
第三，哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科学家团队开发出首个超透镜，它可以将整个可见光光谱（包括白光）聚焦到同一个点，并达到很高的分辨率。
（图片来源：Jared Sisler / Harvard SEAS）
创新
近日，美国哥伦比亚大学工学院的研究人员成功地制造出首个平面透镜，它无需任何额外的元件，就能将广泛颜色范围内的任意偏振光线，正确地聚焦到同一焦点。这种革命性的“平面”透镜厚度只有一微米，比纸更薄，且性能可媲美顶级的复合透镜系统。
下图为：Sajan Shrestha、Adam C. Overvig 和 Nanfang Yu
研究团队由应用物理系副教授 Nanfang Yu 领导。相关成果在一篇于10月3日发表在《Light: Science & Applications》期刊上的新论文中得到了详细描述。
技术
传统的透镜会让照射在它上面的光线，经过不同路径传播，从而让完整的光波在同一时间到达焦点。为了使得制造的透镜达到这一效果，当光线从透镜的边缘传播到中心时，需要为其增加延时量。这就是为什么传统透镜的中心要比边缘更厚。
为了发明更薄、更轻、更便宜的透镜，Yu 的团队采用了不同的方案。研究人员利用了他们在光学“超表面（metasurfaces）”方面的专长，制造出由像素或“超原子（meta-atom）”组成的平面透镜。每个超原子的尺寸仅为光波长的几分之一，并能不同程度地推迟通过它的光线。
研究人员在基底上刻画出如同人类发丝一样薄的超薄纳米结构平面层，达到了同样厚度与重量的传统透镜系统所具备的功能。展望未来，他们预计超透镜将取代笨重的透镜系统，就像平面屏幕电视取代阴极射线管电视一样。
下图中的顶部图像：宽频超透镜片段的扫描电子显微图像。它们由位于玻璃基底上的各种横截面形状的硅纳米片组成。底部图像：展示了多元件超透镜成像系统的两个元件。
下图展示了两种平面透镜。前景部分，一种新型平面透镜将所有颜色的光线聚焦于同一点。作为对比，背景部分的平面镜头无法进行颜色校正。
价值
Yu 表示：“我们的平面透镜的优点在于，通过采用复杂形状的超原子，不仅为单色光，也为连续光谱，提供了正确的延时分布。而且由于它们非常薄，所以有望显著降低成像所用的任意光学仪器或设备的尺寸和重量，例如摄像头、显微镜、望远镜甚至是我们的眼镜。我们可以想象未来将出现比纸更薄的眼镜、不会凸起的智能手机摄像头、无人驾驶汽车和无人机的成像与感知系统所使用的薄片、医疗成像所用的小型工具。”
Yu 的团队采用了类似制造计算机芯片的标准二维平面制造技术，来制造这些超透镜。他们说，大规模制造超透镜的工艺会比制造计算机芯片更简单，因为它们只需要定义一层纳米结构。相比之下，现代计算机芯片需要多层，有些多达100层。这种平面超透镜的优点在于，不同于传统的透镜，它们无需经过昂贵且耗时的研磨与抛光工艺。
Yu 的小组的博士生、论文的共同领导作者 Sajan Shrestha 表示：“我们的平面透镜可通过大规模并行化制造，从而生产出大量高性能且便宜的透镜。因此，我们可以将我们的设计发送给半导体铸造厂来量产，从行业的固有规模经济中得益。”
平面透镜可将波长范围在1.2微米到1.7微米之间的近红外波段的光线聚焦于同一点，由于所有的颜色同时聚焦，所以能形成近红外波段的“彩色”图像，这对于彩色摄影来说很有必要。透镜可以聚焦任意偏振状态的光线，所以它不仅可以工作在偏振控制得很好的实验室环境下，也可以工作在环境光线随机偏振的真实世界条件下。此外，它也能对透射光起作用，以便集成到光学系统中。
论文的另一个共同领导作者、Yu 的另一个博士生 Adam Overvig 表示：“我们的设计算法详细讨论了将界面刻画成二进制图案的所有自由度，因此，我们的平面透镜的性能逼近了单个纳米结构界面所能达到的理论极限。实际上，我们已经演示了理论上具有最佳综合特征的为数不多的平面透镜。对于给定直径的超透镜而言，我们已经实现了跨越最大波长的范围的最紧凑的焦点。”
美国宾夕法尼亚大学教授、纳米光子学和超材料领域专家 Nader Engheta （没有参与这项研究）表示：“这是 Nanfang Yu 教授的小组所完成的一项漂亮的工作，同时也是平面光学领域的振奋人心的研究成果。这种消除色差的超透镜，是超表面工程中最先进的技术，它可以为包括成像、感知以及小型摄像头技术在内的一系列应用的创新打开新的大门。”
未来
现在，Yu 及其同事们制造的超透镜的性能正在逼近高质量的透镜成像系统的性能，而重量和尺寸却更小。但是，团队还面临另外一个挑战：提升透镜的效率。这种平面透镜目前并不是最佳的，因为入射光功率的一小部分不是被平面透镜反射掉，就是散射到不想要的方向上。让团队感到乐观的是，效率并不是根本性问题，而且他们也正忙于设计新的策略来应对效率问题。此外，他们也在与行业伙伴讨论进一步开发和授权这项技术。
关键字
光学、成像、超透镜
【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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