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麻省理工打造无需物理移动也能变焦的新型超透镜

作者:管理员 日期:2021-03-06 人气:159

据外媒报道,照相机已经存在很长时间,使用抛光玻璃作为镜头的时间则几乎跟它们出现的时间一样长。在抛光玻璃镜头,一个精确的曲率允许镜头聚焦光并提供摄影师锐利的图像。如果想要改变焦点,通常需要透镜通过倾斜、滑动或通过机械部件进行物理移动来实现。

麻省理工打造无需物理移动也能变焦的新型超透镜

然而这些机械部件增加了显微镜和望远镜的复杂性和体积。对此,MIT的工程师们开发出了一种新型的可调金属,它可以在不改变物体物理位置或形状的情况下聚焦于多个深度的物体。镜头不是玻璃做的,相反,它使用的是一种透明的相变材料,可以在加热时重新排列原子结构。

当它重新排列原子结构时,材料跟光相互作用的方式也发生了变化。MIT的研究人员使用微小而精确的图案结构蚀刻出这种材料的表面从而形成一种以独特方式折射或反射光线的超表面。当材料的性质发生变化时,超表面的光学函数发生变化。

在MIT的应用中,当材料处于室温时,它会聚焦光线以在一定距离内产生物体的清晰图像。当材料被加热时,原子结构会发生变化从而使超表面将光线重定向到更远的物体上。这使得超透镜无需任何笨重的机械元件就可以调焦。

目前,MIT的超透镜可以在红外波段成像并可以用于制造光学设备如用于无人机的微型热透镜、用于手机的超紧凑热透镜及低损耗夜视镜。MIT的研究人员称,他们的发明能够在不同的深度实现无像差成像的重叠物体定位,进而可以跟传统和更庞大的光学系统展开竞争。

材料调整

新镜头由相变材料制成,研究团队通过调整可擦写CD和DVD中常用的材料来制造。它被称为GST,它包含锗、锑和碲,其内部结构在被激光脉冲加热时会发生变化。这使材料可以在透明状态和不透明状态之间进行切换,这种机制使CD中存储的数据能够被写入、擦除和重写。

今年早些时候,研究人员报告称,在GST中添加了另一种元素硒,以制造新的相变材料:GSST。当他们加热新材料时,其原子结构从无定形、无序的原子缠结转变为更有序的晶体结构。这种相移还改变了红外光穿过材料的方式,影响了折射能力,但对透明度的影响却很小。

该团队想知道,是否可以调整GSST的开关功能以根据其相位将光引导和聚焦在特定点上。这样,这种材料就可以用作主动透镜,而无需机械部件来转移其焦点。

Shalaginov说:“通常,当制造光学器件时,要在制造后调整其特性非常困难。” “这就是为什么拥有这种平台对于光学工程师来说就像是一个核心要素,从而使超透镜可以在很大范围内有效地切换焦点。”

面临困难

在传统的镜头中,玻璃是精确弯曲的,因此入射光束会以各种角度折射离开镜头,并会聚在距离一定距离的点处,这就是镜头的焦距。然后,透镜可以在该特定距离处产生任何物体的清晰图像。要对不同深度的物体成像,必须物理移动镜头。

研究人员不希望依靠材料的固定曲率来引导光,而是希望通过改变焦距随材料相位变化的方式来修改基于GSST的金属元素。

在他们的新研究中,他们制造了一个1微米厚的GSST层,并通过将GSST层蚀刻成各种形状的微观结构,以不同方式折射光来创建“超表面”。

顾说:“构建超表面的过程非常复杂,需要在不同的功能之间进行切换,并且需要明智地设计使用哪种形状和图案。” “通过了解材料的行为方式,我们可以设计一种特定的图案,该图案将集中在非晶态的一个点上,并转变为结晶相的另一个点。”

研究人员通过将新的超透镜调谐至红外光带的激光束对其进行测试,在镜头前方一定距离处,放置了透明物体,该物体由水平和垂直条的双面图案(称为分辨率表)组成,通常用于测试光学系统。

透镜在其初始非晶状态下产生第一图案的清晰图像。然后加热镜片,将材料转变为结晶相。在移除加热源的情况下,镜头产生了同样清晰的图像,这次是第二组更远的条纹。

Shalaginov说:“我们演示了在两个不同深度的成像,没有任何机械移动。”

实验表明,超透镜可以在没有任何机械移动的情况下主动改变焦点。研究人员说,可以用集成的微型加热器制造超透镜,从而以短毫秒的脉冲快速加热材料。通过改变加热条件,可以调谐到其他材料的中间状态,从而实现连续的焦点调节。

Shalaginov解释说:“这就像做牛排,可以做成几分熟到十分熟,也可以做成介于两者之间的其他任何熟的程度。” “将来,这个独特的平台将使我们能够任意控制这种超透镜的焦距。”

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