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能完美聚焦的超薄平面透鏡問世

美國科學家製作出第一個能精確聚焦的超薄平面透鏡(flat lens)。此透鏡沒有令一般球面透鏡苦惱的光學像差,因此具有定義良好的焦點,且其聚焦能力接近繞射定律所規範的物理極限。

此透鏡是由哈佛大學工程與應用科學學院的研究團隊所完成。團隊主持人Federico Capasso表示,目前各種裝置內的光學元件體積都相當大,原因是光束必須藉由通過不同厚度的透鏡來改變形狀。對普通透鏡而言,由於光在玻璃中的速度比在空氣中低,行經中央較厚區所花的時間比行經周圍較薄區來得長,透鏡中各處相位延遲的結果導致光線折射與聚焦。但在此研究中,負責將光束塑型的是厚度僅60 nm的平面透鏡。

此超薄平面透鏡的特殊之處在於它是具有奈米結構的超穎表面(metasurface),其上佈有次波長間距的光學天線(optical antenna)。這些天線為波長大小的金屬結構,在散射特定波長的光線時能引入些微相位延遲,造成光束方向改變。研究人員將不同形狀、大小及方向的天線排列成圖案,讓透鏡上的相位延遲呈放射狀分佈,造成離鏡心越遠的光線折射愈嚴重,使入射光聚焦於精確的一點上。

此透鏡的製作方式是在矽晶圓表面鍍上一層奈米級的黃金,接著部分剝離以留下均勻分佈的V形結構(即奈米天線)陣列。此平面透鏡設計可消除球面像差、彗形像差及像散等單色像差,因此能在繞射極限內獲得精確的焦點。即使光線入射處遠離鏡心或以大角度入射,也不需要複雜的修正技術。研究人員只要改變天線的大小、角度及間距,便能控制超穎表面所對應的特定波長。

此透鏡最明顯的用途為攝影及顯微術,也能應用於光纖中供成像與醫療用途等。該團隊表示,雖然此透鏡現階段的聚焦效率偏低,但應可藉由增加天線排列密度及改變透鏡設計予以提升。另外,此透鏡目前僅能聚焦某些特定波長的光,不過Capasso認為有可能透過不同天線陣列的排列發展出寬頻透鏡。

該團隊採用了耗時的電子束微影製程來製作透鏡,未來如欲大量生產可採用新的奈米微程如奈米壓印(nanoimprinting)及軟性微影製程(soft lithography),以利在可撓式基板上製作平面透鏡。詳見Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl302516v。

資料來源:First flat lens focuses light without distortion. NanoTechWeb [Sep 14, 2012]

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網

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