原创 新型超透镜：将超表面与液晶技术结合起来！
导读
据美国凯斯西储大学官网近日报道，该校与哈佛大学以及意大利卡拉布里亚大学的研究人员合作，将纳米结构超表面与液晶技术结合起来，有望革新光学技术。背景
500多年来，人类已经掌握了将玻璃做成透镜使光线发生折射，然后弯曲或组合这些透镜，使近距离和远距离图像放大以及变清晰的技术。
（图片来源：苹果公司）
然而在过去近十年的时间内，美国哈佛大学的科学家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）开始通过设计平面光学超表面改变光学领域，并利用数百万个细微的、薄而透明的石英柱阵列来衍射和塑造光线的流动。这与玻璃透镜的方式大致相同，但却不像玻璃那样与生俱来地受"像差"制约。
这项技术在2019年被世界经济论坛（WEF）评为十大新兴技术之一。它表明这些越来越小、越来越清晰的透镜很快就会出现在照相手机、传感器、光纤线路以及诸如内窥镜之类的医学成像设备中。
（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）
世界经济论坛如此评价：“使手机、计算机以及其他电子设备使用的镜头变小，已超出了传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术的能力……这些细微、薄而扁平的透镜可以代替现有的笨重的玻璃透镜，并可以使传感器和医学成像设备进一步小型化。”
（图片来源：参考资料【1】）
创新
近日，美国凯斯西储大学物理系教授 Giuseppe Strangi 与哈佛大学的合作伙伴们将超透镜的研究又推进了一步，使它们变得“可重构”，从而更加有用。
Giuseppe Strangi 在观察超透镜阵列。（图片来源：凯斯西储大学）
宣布这一突破的论文于8月初发表在《美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）》上。
Strangi 与其他几位在美国和欧洲的研究人员进行了合作，包括凯斯西储大学的研究人员 Andrew Lininger 和 Jonathan Boyd、意大利卡拉布里亚大学的 Giovanna Palermo，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的 Capasso、Alexander Zhu、Joon-Suh Park。
技术
Strangi 表示，他们通过利用纳米力使液晶在这些微柱之间渗透，从而使微柱以全新的方式塑造和衍射光线，“调节”聚焦力来做到这一点。
液晶是格外有用的，因为可以对其进行热、电、磁或光学操作，这样有望带来“柔性”或“可重构”的透镜。
Strangi 在凯斯西储大学的 Nanoplasm 实验室研究的是“极端光学”以及“纳米尺度上光线与物质的相互作用”等。他表示：“从16世纪开始我们就知道这项技术，我们相信它有望革新光学。到目前为止，一旦玻璃透镜被塑造成刚性曲面，就只能以一种方式弯曲光线，除非与其他透镜组合或者通过物理方式移动它。”
超透镜改变了这一点，因为它允许通过控制光线的相位、幅度和偏振来设计波前。
（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）
现在，研究人员已经能够通过控制液晶，让这些新型超透镜向着新的科技方向发展，以产生可重构的结构光。
Strangi 表示：“这只是第一步，然而使用这些透镜有很多的可能性。我们已经在联络对这项技术感兴趣的公司。”
Lininger 表示，超表面目前应用所面临的一部分问题是，它们的形状在生产环节就已经固定，但是“通过实现超表面的可重构性，可以突破这些限制。”
Capasso 开创了平面光学研究领域，并在2014年首先发表了关于超透镜的研究。他将用液晶渗透超透镜的创意归功于 Strangi，并表示这项创新代表朝着更伟大的目标迈出了一步。
Capasso 表示：“我们用液晶可再生产地渗透最先进的超透镜（由一亿五千万个纳米级直径的玻璃柱制成）以及显著改变其聚焦特性的能力，预示着我所期待的振奋人心的科技未来将从可重构的平面光学中产生。”
关键词
光学、液晶、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】Andrew Lininger, Alexander Y. Zhu, Joon-Suh Park, Giovanna Palermo, Sharmistha Chatterjee, Jonathan Boyd, Federico Capasso, Giuseppe Strangi. Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202006336 DOI: 10.1073/pnas.2006336117
【3】https://thedaily.case.edu/a-new-lens-on-the-world/
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