由日本理化學(xué)研究所光量子光學(xué)研究中心田中拓夫領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作研究小組開(kāi)發(fā)了一種可以通過(guò)光的偏振來(lái)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(jī)、光學(xué)顯微鏡和光學(xué)傳感器等小型高性能光學(xué)儀器的創(chuàng)造做出貢獻(xiàn)。

這一次，一個(gè)國(guó)際聯(lián)合研究小組成功地開(kāi)發(fā)了一種超透鏡，它通過(guò)改變?nèi)肷涔獾钠穹较騺?lái)改變焦距。 超透鏡是一種厚度僅為750納米的超薄透鏡，由納米級(jí)（nm，1nm是十億分之一米）的人工結(jié)構(gòu)組成，比光的波長(zhǎng)更細(xì)。 通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)成這種超透鏡的納米結(jié)構(gòu)，使其僅響應(yīng)特定的光偏振（偏振），我們成功地通過(guò)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(xué)期刊《納米快報(bào)》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(xué)設(shè)備，例如可變放大倍率相機(jī)的變焦鏡頭、雙筒望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)顯微鏡和投影儀。 最近，智能手機(jī)相機(jī)等小型光學(xué)單元也配備了可變放大倍率的光學(xué)鏡頭。 然而，到目前為止，主流的方法是構(gòu)建具有多個(gè)鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)，并通過(guò)機(jī)械改變鏡頭之間的距離來(lái)確定有效焦距，但由于鏡頭是機(jī)械移動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)等問(wèn)題，這使得光學(xué)系統(tǒng)本身更加復(fù)雜和龐大。

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

因此，一個(gè)國(guó)際聯(lián)合研究小組利用超表面技術(shù)開(kāi)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(gè)國(guó)際合作研究小組開(kāi)發(fā)了一種新的焦距可變超透鏡，它可以通過(guò)改變光的偏振來(lái)改變焦距，使用僅響應(yīng)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(duì)具有特定偏振方向（偏振光）的光作出響應(yīng)。 這種納米結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)方體氮化鎵（GaN）組成，通過(guò)改變光波的大?。╓）和深度（L），可以改變照射時(shí)給予光波的相位（圖1a）。 此外，通過(guò)在特定方向上排列具有不同W和L的不對(duì)稱(chēng)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(lán)寶石（Al2O3）襯底和在襯底表面形成的長(zhǎng)方體氮化鎵（GaN）組成。

（二）偏振角θ=0°（x偏振）入射時(shí)的焦點(diǎn)和當(dāng)時(shí)的焦距fx。

（三）偏振角0°《θ《90°入射時(shí)的聚焦光斑。

（四）偏振角θ=90°（y偏振）入射時(shí)的焦點(diǎn)，此時(shí)焦距fy。

因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種不用作透鏡的超透鏡，方法是在X方向上對(duì)偏振光進(jìn)行類(lèi)似于透鏡形狀的相移，并在垂直于其Y方向上對(duì)偏振光進(jìn)行隨機(jī)相移（圖2a）。 賦予這種特殊光學(xué)特性的能力是超透鏡的最大特點(diǎn)，這是通過(guò)拋光傳統(tǒng)玻璃或其他材料制成的透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)用X偏振光照射該超透鏡時(shí)，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(huì)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(chēng)為A組。 另一方面，納米結(jié)構(gòu)也可以設(shè)計(jì)成具有隨機(jī)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(chēng)為B組。

圖2.變焦距和生成光斑強(qiáng)度分布的超透鏡的相位特性

（一）X偏振光（藍(lán)色）通過(guò)超透鏡發(fā)生類(lèi)似于凸透鏡的相移，光線(xiàn)聚焦，而Y偏振光（紅色）則發(fā)生隨機(jī)相移，光線(xiàn)不聚焦。

（二）與（a）相反，光是通過(guò)隨機(jī)相移到x偏振光（藍(lán)色）和類(lèi)似于凸透鏡的相移到y(tǒng)偏振光（紅色）來(lái)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(shè)計(jì)一種超透鏡，其中這兩種類(lèi)型的納米結(jié)構(gòu)（A組和B組）集成在單個(gè)基板表面上，因此它們不會(huì)相互影響。 然后，當(dāng) X 偏振光入射到該超透鏡上時(shí)，光聚焦在焦距 fx 位置，當(dāng) Y 偏振光入射時(shí)，光聚焦在焦距 fy 位置。 然后，當(dāng)斜向的偏振光注入時(shí)，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(gè)光斑。 總光強(qiáng)度分布是兩個(gè)光點(diǎn)強(qiáng)度的總和。 此時(shí)，如果事先設(shè)計(jì)了fx和fy的值，使原來(lái)兩個(gè)光斑的峰值在相加后不會(huì)出現(xiàn)在光強(qiáng)分布中，即距離使得兩個(gè)峰之間沒(méi)有發(fā)生壓痕，則添加的光斑將是fx和fy之間只有一個(gè)峰的光斑。 然后，當(dāng)偏振方向從x方向旋轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向時(shí)，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(gè)光斑加在一起形成一個(gè)光點(diǎn)。 （a） 偏振角為30°時(shí)聚焦光斑的強(qiáng)度分布。 （b）偏振角為45°時(shí)聚焦光斑的強(qiáng)度分布。 無(wú)論哪種情況，如果光的設(shè)計(jì)使得 x 偏振光和 y 偏振光的兩個(gè)聚焦點(diǎn)之間沒(méi)有壓痕，它就會(huì)變成單個(gè)聚焦點(diǎn)（黑色實(shí)線(xiàn)）。

實(shí)驗(yàn)中，在藍(lán)寶石（Al2O3）襯底表面形成膜厚為750 nm的氮化鎵（GaN）層，并通過(guò)電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕轉(zhuǎn)換GaN層我們制作了兩種類(lèi)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(xué)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(lán)色。

圖5顯示了原型可變焦距超透鏡光學(xué)特性的測(cè)量結(jié)果。 圖5a顯示了當(dāng)光的偏振方向改變時(shí)，光斑的形狀和位置如何變化。 圖5c顯示了偏振方向?yàn)閤方向（θ = 0°）、y方向（θ = 90°）和中間傾斜方向（θ = 45°）時(shí)光斑強(qiáng)度分布的測(cè)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(méi)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(qiáng)度峰值位置（對(duì)應(yīng)于焦距）之間的關(guān)系。 紅線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焦點(diǎn)位置（焦距）隨偏振方向的轉(zhuǎn)換幾乎呈線(xiàn)性變化。 圖5b中的藍(lán)線(xiàn)是通過(guò)理論計(jì)算得到的光斑位置。 通過(guò)對(duì)比兩張圖，發(fā)現(xiàn)原型超透鏡的光斑位置與理論計(jì)算結(jié)果幾乎相同。

我們還證實(shí)，即使改變焦距，光斑的形狀也始終是圓形的，光斑形狀不會(huì)塌陷。 原型可變焦距超透鏡的結(jié)構(gòu)是基于波長(zhǎng)為532 nm的綠光設(shè)計(jì)的，但我們也證實(shí)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(zhǎng)的光。

圖5.原型變焦距超透鏡的光學(xué)特性

（一）改變光偏振方向時(shí)產(chǎn)生的光斑的強(qiáng)度分布。

（二）偏振方向與光斑位置（對(duì)應(yīng)焦距）之間的關(guān)系。 紅線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，藍(lán)線(xiàn)為理論計(jì)算值。

（三）偏振角為0°、45°和90°時(shí)產(chǎn)生的光斑強(qiáng)度分布。

展望未來(lái)

這項(xiàng)研究成果，實(shí)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(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域，包括智能手機(jī)相機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器、顯微鏡和醫(yī)療光學(xué)，如雙筒望遠(yuǎn)鏡和內(nèi)窺鏡。結(jié)合超透鏡設(shè)計(jì)的靈活性，允許通過(guò)設(shè)計(jì)人工結(jié)構(gòu)的形狀來(lái)控制光學(xué)功能，有望實(shí)現(xiàn)精確定制的高性能光學(xué)儀器，以滿(mǎn)足特定應(yīng)用的要求。