Science新突破：超材料镜头或将走进寻常百姓家 引领光学革命!

材料牛注：哈佛大学科学家研制出一种600纳米厚超材料镜头！这类由扭曲光线的超材料制成的平面镜头，或许有一天能替代从显微镜到手机摄像头的所有玻璃镜头。

超材料镜头只有2毫米宽，远远没有一根头发丝宽！但是它可以放大纳米级的物体，并获得比顶级显微镜镜头更清晰的焦点。超材料镜头有力地诠释了超材料的神奇力量，它新颖的特性来源于自身奇妙的结构，其表面成的像比光波波长还要小：只有千分之一毫米。

有关新材料镜头的报告发表在了Science杂志上，报告的资深作者—哈佛大学的Federico Capasso教授说: “我觉得这项技术将会掀起一场革命。”

超材料镜头与我们熟悉的相机和望远镜中的弯曲镜片差异很大，它的镜头由表面涂布着几百万个“小柱子”的透明石英薄层制成，每个“小柱子”只有几十纳米宽，几百纳米高。单独来看，每个“小柱子”都与光产生强烈的相互作用。它们的综合效应是当光线通过小柱子阵列时，光束被切开并朝一个地方聚焦。超材料透镜是如何复制传统透镜的聚焦效果的呢？我们需要计算机运算来找出确切模式。

Capasso教授说道，超材料镜头的优点在于它能避免传统光学玻璃“与生俱来”的缺点—折光差。“毫不夸张地说，我们的图片质量确实比最先进的物镜还要好，这可能是革命性的。”超材料的比较对象是顶级的研究用显微镜的镜头，旨在实现最大的放大效果。超材料镜头的平面镜头的焦点比比较对象的要清晰30%，这意味着在实验室中，我们可以观察到待测样本更多的细节。

“这项技术之所以具有里程碑意义，还有其他的原因。” Capasso教授接着说，“传统曲面镜头的制造方法依赖于注模成型技术，实际上该技术在19世纪的时候就很成熟了。令人惊喜的是超材料镜头的二维镜片，可以和电脑芯片在同一间铸造厂里制造，所以可以制造集成电路的车间瞬间都能加工超材料镜头了。”

与此同时，超镜头材料的制作毫不费力，制作微处理器和记忆芯片的电子产品制造商能够非常熟练地制作比平面镜上的“小柱子”还要小得多的部件。然而一个包含数十亿小部件的记忆芯片可能成本只有几磅。

控制成本的关键是大规模生产，这也是Capasso教授将移动手机的摄像头视为发展目标的原因。手机摄像头的其他大多数部件，包括相机探测器，已经可以由芯片技术制造。Capasso教授认为将芯片技术应用于镜头的制造是大势所趋。此外，超材料镜头还有其他很多潜在用途，例如批量生产的用于工厂中质量控制的相机、虚拟现实的耳机中轻量级的光学器件，甚至隐形眼镜。

超材料镜头的原型只有2mm宽，但那只是因为哈佛大学制造设备的局限性。“原则上，可以制造出任何尺寸的超材料镜头，” Capasso教授说，“你想要一个12英寸的镜头吗？当然可以，只要有这种铸造厂，你真的能够做出来。没有什么限制。”

镜头的精确性取决于“小柱子”的布局和组成。钛白粉—二氧化钛，因为它既透明而且可以和可见光发生强烈的相互作用，加上价格又便宜，所以是制作“小柱子”的优良材料。Capasso教授的研究团队之前曾用硅做过“小柱子”，硅镜头观察红外线的性能非常好。其他材料可以用于制造紫外线镜头。

若想获得不同的焦点，工程师需要改变“小柱子”的大小、方向和间距，这仅仅意味着用计算机做运算并将结果应用到新设计上而已。

Capasso教授的研究团队正在着手改造第一个超材料镜头的性能，他们还表示，如果可能的话，要做一个超材料双目镜头。

原文链接：Flat lens promises possible revolution in optics

本文由编辑部王宇提供素材，孟令晓编译，赵瑾审核。