2018-11-14 23:22:01
科学家们用二维材料设计出功能性光学镜片

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在光学领域,玻璃镜片的时代可能正在减弱。

近年来,物理学家和工程师一直在设计,构建和测试不同类型的超薄材料,这些材料可以取代目前在相机和成像系统中使用的厚玻璃镜片。重要的是,这些被称为metalenses的工程镜片不是由玻璃制成的。相反,它们由在纳米尺度上构造成柱或鳍状结构阵列的材料组成。这些构造可以与入射光相互作用,将其引向单个焦点以用于成像目的。

但即使metalenses比玻璃镜片薄得多,它们仍然依赖于“高纵横比”结构,其中柱状或鳍状结构比它们宽得多,使得它们易于坍塌和翻倒。此外,这些结构一直接近它们与厚度相互作用的光的波长 - 直到现在。

华盛顿大学和台湾国立清华大学的一个研究小组在10月8日发表在纳米快报杂志上的一篇论文中宣布,它已经构建了功能性的变形,其厚度是波长的十分之一到二分之一。他们专注的光。他们的metalenses由分层的2-D材料构成,薄至190纳米 - 小于1/100000英寸厚。

“这是有史以来第一次有人证明可以用二维材料制作一个元透镜,”高级和共同作者Arka Majumdar表示,他是一位华盛顿大学物理学和电气与计算机工程助理教授。

他们的设计原则可用于创建具有更复杂,可调节特征的metalenses,Majumdar补充说,他也是UW分子工程与科学研究所的教师研究员。

Majumdar的团队多年来一直在研究metalenses的设计原则,以及之前构建的用于全色成像的metalenses。但是这个项目的挑战是克服metalenses的固有设计限制:为了使metalens材料与光相互作用并获得最佳成像质量,材料必须与该材料中光的波长大致相同。在数学术语中,这种限制确保了可实现完全零到二π相移范围,这保证了可以设计任何光学元件。例如,500纳米光波的元透镜 - 在可见光谱中是绿光 - 需要约500纳米的厚度,尽管该厚度可随着材料的折射率增加而减小。

Majumdar和他的团队能够合成比理论极限更薄的功能性metalenses - 波长的十分之一到二分之一。首先,他们用层状二维材料构建了元透镜。该团队使用了广泛研究的二维材料,如六方氮化硼和二硫化钼。这些材料的单个原子层提供非常小的相移,不适合有效的透镜效应。因此团队使用多层来增加厚度,尽管厚度仍然太小而无法达到完整的两π相移。

“我们必须首先弄清楚哪种类型的设计会在不完整的阶段产生最佳性能,”共同作者,电子和计算机工程博士生郑佳九说。

为了弥补这一不足,该团队采用了最初为液晶光学配制的数学模型。这些与metalens结构元素相结合,使研究人员即使不覆盖整个相移也能实现高效率。他们测试了metalens的功效,通过使用它来捕捉不同的测试图像,包括蒙娜丽莎和大写字母W.该团队还展示了如何拉伸元透镜可以调整镜头的焦距。

除了以创纪录的薄层实现metalens设计的全新方法之外,该团队还认为其实验显示了完全用二维材料制造成像和光学新设备的前景。

“这些结果开辟了一个全新的平台,用于研究二维材料的特性,以及构建完全由这些材料制成的全功能纳米光子器件,”Majumdar说。此外,这些材料可以很容易地转移到任何基板上,包括柔性材料,为柔性光子学铺平了道路。

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