日本理化所开发出可变焦距的超透镜

由日本理化学研究所光量子光学研究中心田中拓夫领导的国际合作研究小组开发了一种可以通过光的偏振来控制焦距的超透镜。

该研究的结果有望为超小型数码相机、光学显微镜和光学传感器等小型高性能光学仪器的创造做出贡献。

这一次，一个国际联合研究小组成功地开发了一种超透镜，它通过改变入射光的偏振方向来改变焦距。 超透镜是一种厚度仅为750纳米的超薄透镜，由纳米级（nm，1nm是十亿分之一米）的人工结构组成，比光的波长更细。 通过设计构成这种超透镜的纳米结构，使其仅响应特定的光偏振（偏振），我们成功地通过改变光偏振方向自由改变透镜的焦距。该研究于近日发表在科学期刊《纳米快报》上。

可以在光偏振方向上控制焦距的超透镜示意图

研究背景

可以改变焦距的镜头用于各种光学设备，例如可变放大倍率相机的变焦镜头、双筒望远镜、光学显微镜和投影仪。 最近，智能手机相机等小型光学单元也配备了可变放大倍率的光学镜头。 然而，到目前为止，主流的方法是构建具有多个镜头的光学系统，并通过机械改变镜头之间的距离来确定有效焦距，但由于镜头是机械移动的，因此很难快速改变焦距。 此外，还存在诸如需要镜头驱动机构等问题，这使得光学系统本身更加复杂和庞大。

一些超透镜包含微机电系统（MEMS）已经提出可变焦镜头通过使用技术对纳米结构进行机械变形或通过在弹性薄膜表面形成超透镜并机械拉伸薄膜以改变纳米结构之间的距离来改变焦距。 然而，由于它们都涉及机械操作，因此它们与由多个镜头组成的可变焦距传统镜头具有相同的慢响应，并且存在使机制复杂化的问题。

因此，一个国际联合研究小组利用超表面技术开发了一种具有可变焦距的超透镜，这是一种二维超材料。

研究方法和结果

一个国际合作研究小组开发了一种新的焦距可变超透镜，它可以通过改变光的偏振来改变焦距，使用仅响应特定光的偏振的纳米结构。

这种可变焦距超透镜的关键是具有各向异性特性的纳米结构，该结构仅对具有特定偏振方向（偏振光）的光作出响应。 这种纳米结构由长方体氮化镓（GaN）组成，通过改变光波的大小（W）和深度（L），可以改变照射时给予光波的相位（图1a）。 此外，通过在特定方向上排列具有不同W和L的不对称结构，可以使偏振光在特定方向上相移。

图1.变焦距超透镜结构

（一）构成超透镜的基本元素的纳米结构。 它由蓝宝石（Al2O3）衬底和在衬底表面形成的长方体氮化镓（GaN）组成。

（二）偏振角θ=0°（x偏振）入射时的焦点和当时的焦距fx。

（三）偏振角0°《θ《90°入射时的聚焦光斑。

（四）偏振角θ=90°（y偏振）入射时的焦点，此时焦距fy。

因此，我们设计了一种不用作透镜的超透镜，方法是在X方向上对偏振光进行类似于透镜形状的相移，并在垂直于其Y方向上对偏振光进行随机相移（图2a）。 赋予这种特殊光学特性的能力是超透镜的最大特点，这是通过抛光传统玻璃或其他材料制成的透镜无法实现的。 当用X偏振光照射该超透镜时，由于透镜中的相移，光聚焦在焦距fx位置。 另一方面，即使照射Y偏振光，光也不会集中并按原样传输（图2c）。 构成这种超透镜的一组纳米结构被称为A组。 另一方面，纳米结构也可以设计成具有随机相移的透镜，用于X偏振和Y偏振光的焦距fy（图2b，d）。 构成这种超透镜的纳米结构组称为B组。

图2.变焦距和生成光斑强度分布的超透镜的相位特性

（一）X偏振光（蓝色）通过超透镜发生类似于凸透镜的相移，光线聚焦，而Y偏振光（红色）则发生随机相移，光线不聚焦。

（二）与（a）相反，光是通过随机相移到x偏振光（蓝色）和类似于凸透镜的相移到y偏振光（红色）来收集的。

（三）（a） 超透镜产生的聚焦光斑。X偏振聚焦在焦距fx上。

（四）（b） 超透镜产生的聚焦光斑。Y偏振光聚焦在焦距fy上。

我们将设计一种超透镜，其中这两种类型的纳米结构（A组和B组）集成在单个基板表面上，因此它们不会相互影响。 然后，当 X 偏振光入射到该超透镜上时，光聚焦在焦距 fx 位置，当 Y 偏振光入射时，光聚焦在焦距 fy 位置。 然后，当斜向的偏振光注入时，偏振分量在x方向和y方向上分解，在x方向偏振分量的fx位置和y方向偏振分量的fy位置形成两个光斑。 总光强度分布是两个光点强度的总和。 此时，如果事先设计了fx和fy的值，使原来两个光斑的峰值在相加后不会出现在光强分布中，即距离使得两个峰之间没有发生压痕，则添加的光斑将是fx和fy之间只有一个峰的光斑。 然后，当偏振方向从x方向旋转到y方向时，光斑位置也从fx到fy连续变化（图3）。

图3.变焦距原理

将两个光斑加在一起形成一个光点。 （a） 偏振角为30°时聚焦光斑的强度分布。 （b）偏振角为45°时聚焦光斑的强度分布。 无论哪种情况，如果光的设计使得 x 偏振光和 y 偏振光的两个聚焦点之间没有压痕，它就会变成单个聚焦点（黑色实线）。

实验中，在蓝宝石（Al2O3）衬底表面形成膜厚为750 nm的氮化镓（GaN）层，并通过电子束光刻和反应离子刻蚀转换GaN层我们制作了两种类型的超透镜原型，孔径 ［5］ 分别为 0.1 和 0.01（图 4）。

图4.原型变焦距超透镜的结构

（一）超透镜的电子显微照片。 左下角是光学显微照片。

（二）Meta Lens 的放大电子显微照片。A组的结构涂成粉红色，B组的结构涂成蓝色。

图5显示了原型可变焦距超透镜光学特性的测量结果。 图5a显示了当光的偏振方向改变时，光斑的形状和位置如何变化。 图5c显示了偏振方向为x方向（θ = 0°）、y方向（θ = 90°）和中间倾斜方向（θ = 45°）时光斑强度分布的测量结果。 从图5a的图表可以看出，随着偏振方向从x方向（θ=0°）到y方向（θ=90°）的变化，光斑的位置从24.5 mm变为28.6 mm，变化了4.1 mm，光斑的大小没有明显变化。 图5b根据图5a的结果绘制了偏振方向与光斑强度峰值位置（对应于焦距）之间的关系。 红线的实验结果表明，焦点位置（焦距）随偏振方向的转换几乎呈线性变化。 图5b中的蓝线是通过理论计算得到的光斑位置。 通过对比两张图，发现原型超透镜的光斑位置与理论计算结果几乎相同。

我们还证实，即使改变焦距，光斑的形状也始终是圆形的，光斑形状不会塌陷。 原型可变焦距超透镜的结构是基于波长为532 nm的绿光设计的，但我们也证实了它作为可变焦距超透镜的功能，适用于从红色到紫色的不同波长的光。

图5.原型变焦距超透镜的光学特性

（一）改变光偏振方向时产生的光斑的强度分布。

（二）偏振方向与光斑位置（对应焦距）之间的关系。 红线为实验结果值，蓝线为理论计算值。

（三）偏振角为0°、45°和90°时产生的光斑强度分布。

展望未来

这项研究成果，实现了一种小型、超薄的镜头，可以高速改变焦距和变焦比。这些镜头可以应用于广泛的领域，包括智能手机相机、增强现实显示器、显微镜和医疗光学，如双筒望远镜和内窥镜。结合超透镜设计的灵活性，允许通过设计人工结构的形状来控制光学功能，有望实现精确定制的高性能光学仪器，以满足特定应用的要求。