這個(gè)扁平的超透鏡是首個(gè)可以在同一點(diǎn)上以高分辨率聚焦整個(gè)可見(jiàn)光譜(包括白光)的單一透鏡。它使用了二氧化鈦納米薄膜組來(lái)平均聚焦光的波長(zhǎng)并消除色差。

　　超透鏡的扁平表面使用納米結(jié)構(gòu)聚光，承諾用簡(jiǎn)單和扁平的表面來(lái)取代目前光學(xué)器件中使用的龐大彎曲透鏡并引發(fā)一場(chǎng)光學(xué)革命。但是，這些超透鏡仍然在他們可以集中的光譜方面有所局限�，F(xiàn)在，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出了首個(gè)單一透鏡，它可以將整個(gè)可見(jiàn)光譜(包括白光)以高分辨率聚焦在同一個(gè)點(diǎn)上。這在傳統(tǒng)透鏡中只能通過(guò)疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　這項(xiàng)研究發(fā)表于Nature Nanotechnology。

　　聚焦整個(gè)可見(jiàn)光譜和白光(所有光譜顏色的組合)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槊總�(gè)波長(zhǎng)都會(huì)以不同的速度穿過(guò)材料。例如，紅色波長(zhǎng)在通過(guò)玻璃時(shí)比藍(lán)色的更快，所以兩種顏色將不能同時(shí)到達(dá)相同的位置，這種差異導(dǎo)致了焦點(diǎn)不同，并產(chǎn)生了被稱為色差的圖像失真。

　　相機(jī)和光學(xué)儀器使用了不同厚度和材料的多個(gè)曲面透鏡來(lái)校正這些色差，當(dāng)然這也加大了設(shè)備的體積。

　　Federico Capasso是該研究的高級(jí)作者，同時(shí)也是Robert L. Wallace教授帶領(lǐng)的應(yīng)用物理和SEAS Vinton Hayes高級(jí)電氣工程研究團(tuán)隊(duì)中的一員，他說(shuō)：“超透鏡要優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡。超透鏡較薄，易于制造且成本效益高。該突破將這些優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到了整個(gè)可見(jiàn)光領(lǐng)域。這是下一個(gè)大的進(jìn)展。

　　哈佛大學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)辦公室(OTD)已經(jīng)保護(hù)了與這個(gè)項(xiàng)目有關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且正在尋求將其商業(yè)化的機(jī)會(huì)。

　　Capasso和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的超透鏡試用了二氧化鈦納米薄膜組來(lái)平均聚焦光的波長(zhǎng)并消除色差。之前的研究表明，通過(guò)優(yōu)化納米薄膜的形狀、寬度、距離和高度，不同波長(zhǎng)的光可以在不同的距離處得到聚焦。在這個(gè)最新的設(shè)計(jì)中，研究人員創(chuàng)造了成對(duì)的納米薄膜單位，可以同時(shí)控制不同波長(zhǎng)的光的速度。成對(duì)的納米薄膜控制著超表面上的折射率，并且為穿過(guò)不同薄膜的光調(diào)整出不同程度的延遲，從而確保所有波長(zhǎng)同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)。

　　“在設(shè)計(jì)無(wú)色差的寬波段透鏡時(shí)，最大的挑戰(zhàn)之一就是要確保超透鏡各點(diǎn)輸出的波長(zhǎng)同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，”SEAS的博士后研究員，也是該論文的第一作者Wei Ting Chen說(shuō)。“通過(guò)將兩個(gè)納米薄膜結(jié)合為一個(gè)元件，我們可以調(diào)整納米結(jié)構(gòu)材料中的光速，以確保使用一個(gè)單一的超透鏡就可以將可見(jiàn)光中的所有波長(zhǎng)都聚焦在同一個(gè)點(diǎn)上，相對(duì)于復(fù)合的標(biāo)準(zhǔn)消色差透鏡來(lái)說(shuō)，這大大減少了透鏡的厚度和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。”

　　這項(xiàng)研究的共同作者之一Alexander Zhu說(shuō)：“使用我們的消色差透鏡，我們可以進(jìn)行高質(zhì)量的白光成像，這使我們向?qū)⑺鼈冋�合到相機(jī)等常見(jiàn)光學(xué)設(shè)備中的目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。”

　　接下來(lái)，研究人員的目標(biāo)是把鏡頭直徑放大到1厘米左右。這將引出一系列新的可能性，例如在虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。

　　這篇論文由Vyshakh Sanjeev、Mohammadreza Khorasaninejad、Zhujun Shi和Eric Lee合著。它得到了空軍科學(xué)研究辦公室的部分支持。這項(xiàng)工作的一部分將在納米系統(tǒng)中心(CNS)進(jìn)行，該中心是國(guó)家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施(NNCI)的成員，受到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。