制造“超表面”的新技术：未来相机镜头将变薄数千倍

导读

据瑞典查尔姆斯理工大学官网近日报道，该校研究人员展示了一项用于制造“超表面”的新技术。未来，相机镜头将变薄数千倍，而且制造所需的资源密集度明显降低。

背景

过去十年，光学领域发生了一场革命。我们口袋中手机的摄像头已经能与数码单反相机媲美，分辨率达到数百万像素。它们使用先进的小型计算机芯片和软件处理光线，并借助小型彩色LED重新构建图像。近年来，这些技术发展得非常迅速，这主要归功于更小、更有效的电路元件。

（图片来源：苹果公司）

但是，相机镜头本身并没有太大变化。如今大多数镜头都是基于相同的物理原理，并具有与16世纪发明的第一批原型相同的基本局限性。然而，在过去十年中，研究人员开始研究可以替代当今镜头的人造材料（超材料）。

由超材料制成的无需半导体的微电子器件。（图片来源：加州大学圣地亚哥分校应用电磁学小组）

超材料（Metamaterial），是指一类由人工设计实现，具备天然材料所没有的超常物理特性（例如负磁导率、负介电常数、负折射率等）的复合材料。超材料应用领域非常广阔，包括光纤、医疗、航空航天、传感器、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。

图片展示了具有十字形开口的超材料，它可以改变太赫兹光束的角度。（图片来源：加州大学洛杉矶分校）

“超材料”的薄层能构成超表面（Metasurface）。超表面可对入射光的振幅、相位、偏振等进行灵活的调控，具有强大的光场操控能力。超表面可以变成超薄的超透镜（Metalens），应用于便携式电子产品、传感器、相机或者太空卫星等。

大面积自适应超透镜。（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）

超透镜轻薄小巧，功能大大超越传统透镜。作为光学领域的一项革命性技术，它有望彻底颠覆传统光学系统中繁琐的透镜组，使得手机、相机、监控摄像头等产品变得更小、更轻、更薄。

韩国与英国科学家开发的信用卡厚度的平面超透镜。（图片来源：参考资料【1】）

然而，目前某些问题阻碍了超表面的大规模制造。制造它们需要先进的设备，并且过程非常耗时。

创新

近日，瑞典查尔姆斯理工大学（ Chalmers University of Technology）的研究人员展示了一项用于制造“超表面”的新技术。未来，相机镜头将变薄数千倍，而且制造所需的资源密集度明显降低。

查尔姆斯理工大学研究人员制造此类平面表面的新技术是基于一种塑料，这种塑料如今已用于制造其他微结构。相关论文发表在国际纳米光子学期刊《ACS Photonics》上。

技术

查尔姆斯理工大学物理系博士生、这篇论文的第一作者 Daniel Andrén 表示：“我们将这种塑料薄层放在玻璃板上，采用一项称为‘电子束光刻’成熟技术，就能在塑料薄膜中绘制出详细的图案，显影之后形成超表面。最终生成的装置可以像普通相机镜头一样聚焦光线，但是其厚度要薄数千倍，而且也可以是柔性的。”

超表面的制造过程：

1. 通过旋涂将塑料施加到玻璃板上。
2. 采用电子束光刻技术，在塑料中绘制出需要的图案，然后用显影剂化学物质将由不同方向的柱子组成的超表面显露出来。
3. 宏观尺度的超透镜可以通过这项技术制造。
4. 超表面也可以制作成柔性元件。

（图片来源：Daniel Andrén 与 Yen Strandqvist）

价值

查尔姆斯理工大学研究人员的新方法，与目前最先进的技术相比，生产率可以提高数倍。这项新技术使用了无害的化学物质，以及如今在纳米制造实验室中已经很普遍的机器，这意味着现在更多的研究人员能够开始研究超表面。

查尔姆斯理工大学物理系的研究人员、论文合著者之一的 Ruggero Verre说：“我们的方法可能是迈向大规模生产超表面的重要一步。这是我们今天正在努力的目标。超表面可以帮助我们创造不同的效果并提供各种技术可能性。最好的还没有到来。”

关键词

超材料、超表面、超透镜

参考资料

【1】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

【2】Daniel Andrén, Jade Martínez-Llinàs, Philippe Tassin, Mikael Käll, Ruggero Verre. Large-Scale Metasurfaces Made by an Exposed Resist. ACS Photonics, 2020; 7 (4): 885 DOI: 10.1021/acsphotonics.9b01809

【3】https://www.chalmers.se/en/departments/physics/news/Pages/Ultra_thin_camera_lenses_of_the_future_could_see_the_light_of_day.aspx