麻省理工學(xué)院的一項研究工作為光學(xué)設(shè)備、無人機和照相機等應(yīng)用開發(fā)出一種無需形變或物理運動的主動變焦超透鏡。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學(xué)院(MIT)近期設(shè)計了一款可調(diào)焦距的超透鏡，它可以不需要改變透鏡的位置或形狀，即可聚焦不同距離的物體。

該款超透鏡可以無需對其鏡頭元件進(jìn)行物理移動，或利用各類機械執(zhí)行器達(dá)到物理移動的效果而實現(xiàn)變焦，這將為手機或夜視鏡等帶來新應(yīng)用。

麻省理工學(xué)院開發(fā)的這種超透鏡不是由傳統(tǒng)光學(xué)材料制成，而是由一種透明化合物制成，可以改變其固相(原子結(jié)構(gòu))，從而改變其光學(xué)特性。這項研究已發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上。

“一般來講，在完成光學(xué)元件的加工制造后，調(diào)整其光學(xué)特性非常困難。這就是為什么我們開發(fā)的這類平臺對于光學(xué)工程師來說就像圣杯一樣，它可以讓超透鏡在大范圍內(nèi)高效變焦。”麻省理工學(xué)院的Mikhail Shalaginov介紹說。

超透鏡表面的微觀圖像

(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

由于納米結(jié)構(gòu)或?qū)Σ牧媳砻娴钠渌揎椂邆湫滦阅艿某砻?metasurfaces)，在許多方面的應(yīng)用越來越有吸引力，研究人員目前正在開發(fā)多種制造技術(shù)，以構(gòu)建超表面。盡管此類元件的調(diào)諧范圍和光學(xué)效率有一定的限制，但主動可調(diào)超表面仍是一段時間以來的研究主題。

根據(jù)麻省理工學(xué)院的這項研究，由于設(shè)計的復(fù)雜性以及對計算效率的設(shè)計和驗證方法的需求，通過主動超表面進(jìn)行波前整形在很大程度上是一個尚未探索的挑戰(zhàn)。

該難題通過使用一種名為GST的鍺、銻和碲的相變化合物來解決，當(dāng)提供適當(dāng)?shù)臒崃繒r，這種化合物能夠在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)之間切換。麻省理工學(xué)院對該類化合物進(jìn)行了修飾，額外添加了硒，形成了GSST。當(dāng)該類材料相變時，會從非晶結(jié)構(gòu)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響材料的折光力，但不影響其透明度。

實現(xiàn)連續(xù)調(diào)焦

項目組在氟化鈣基板上制備了1微米厚的GSST層，并通過將GSST層蝕刻成各種不同形狀的結(jié)構(gòu)特征，創(chuàng)建了超表面。

根據(jù)該理論，當(dāng)GSST處于非晶狀態(tài)時，一組表面結(jié)構(gòu)將與入射光相互作用，而當(dāng)GSST相變?yōu)榫w狀態(tài)時，其它表面結(jié)構(gòu)與入射光相互作用，從而改變材料的宏觀光學(xué)特性。

不同表面結(jié)構(gòu)對入射光的相互作用不同

(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

麻省理工學(xué)院材料研究實驗室的Tian Gu說：“構(gòu)建可在不同特性之間切換的超表面是一個復(fù)雜的過程，并且需要精心設(shè)計使用的形狀和圖案。通過掌握材料相變的光學(xué)特性，我們可以設(shè)計一種特定的圖案，使超透鏡在非晶態(tài)時聚焦在某點，而在相變?yōu)榫B(tài)后聚焦另一點。”

項目研究人員在使用紅外激光光源發(fā)出的光和圖案化目標(biāo)物體進(jìn)行的試驗中，在加熱引起相變之前，利用超透鏡對一個目標(biāo)物體生成了清晰的圖像。而在加熱引起材料相變之后，這個超透鏡對另一個距離更遠(yuǎn)的目標(biāo)物體生成了同樣清晰的圖像。這證明無需光學(xué)元件的任何機械運動，就可實現(xiàn)兩種不同距離的物體成像。

對于這個用于概念驗證的超透鏡，研究人員利用熔爐退火引發(fā)了相變效應(yīng)。該研究團(tuán)隊認(rèn)識到，對于未來商業(yè)化應(yīng)用的相同原理光學(xué)元件，將需要某種形式的電子開關(guān)。

根據(jù)麻省理工學(xué)院的研究，這可以通過使用集成微加熱器以短毫秒脈沖加熱材料來實現(xiàn)，同樣的方法也可創(chuàng)建其它中間相態(tài)，從而實現(xiàn)連續(xù)焦距調(diào)整。

Mikhail Shalaginov說：“這就像做牛排：從生牛排開始，可以做全熟的，也可以做三分熟的，或者介于其間的任意成熟度。在未來，這個獨特的平臺將幫助我們?nèi)我饪刂瞥哥R的焦距。”