新领域：基于MEMS的可重构超透镜

美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和哈佛大学（Harvard University）的研究人员在《APL Photonics》期刊发表了题为“Dynamic metasurface lens based on MEMS technology”的论文，论文详细阐述了研究人员通过将定制设计的超表面转移到2D扫描MEMS平台上，从而创造出极薄的可重构透镜的操作过程。人造的亚波长金属和/或介电模式使得超表面具有特殊的光学性质，该性质可通过在2D平面上排布纳米光学元件来进行调谐，从而模拟常规体光学透镜的相位分布。在该论文中，研究人员指出虽然超表面研究并不是新技术，但它们往往是静态的。因此，将超表面安装在如2D扫描器等静电驱动MEMS平台会上开辟新的应用领域，目前这些领域往往正在使用较重的传统透镜。

图为本研究制造透镜的扫描电子显微镜图像，显示了盘状的超表面晶胞（metasurface unit cells）研究人员开始设计了一种等离子体透镜，就像圆柱形透镜一样，当被单色中红外光照射（约4.6 μm波长）时，会产生一个线聚焦。这里的偏振独立设计晶胞（unit cells）由盘状的50nm厚的黄金谐振器组成，它们生长在200nm厚的金薄膜顶部400nm厚的二氧化硅层上。由于改变超材料上圆盘的半径，会改变反射光线的相位，研究人员得以通过在平面透镜上精心选择的亚波长直径的空间分布来创建双曲线相位分布。用标准光刻技术在绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造的0.8 x 0.8 mm超透镜，能够以5 mm的焦距将入射光以θ = 45°角聚焦到透镜表面。接着，研究人员为了实现动态光控制，将超透镜剥离并将其转移到2D MEMS扫描器上，这种扫描器能够控制透镜沿着两个正交轴在± 9°间动态扫描。这是一个可以用来补偿离轴入射光，从而修正慧差（comatic aberrations）的应用。文章指出，对于低角度位移，集成MEMS上透镜系统（lens-on-MEMS system）并不影响MEMS执行器的机械性能，并可保持聚焦束分布和所测量的半高全宽（FWHM）。研究人员指出，这种概念验证的MEMS上超透镜（metalens-on-a-MEMS）集成可扩展到电磁波谱的可见光部分和其他频谱部分，用于包括基于MEMS的显微镜系统、全息和投影成像、激光雷达扫描或激光打印在内的广泛应用。

图为在MEMS扫描器上集成圆形的基于超表面的平面透镜，可实现高速动态控制和精确的波前空间处理但研究人员也设想，通过将这样成千上万的超透镜集成到大型动态可重构的MEMS微镜上，同时对每个超透镜进行单独2D控制，就能创造一种具有独特光学控制和操作能力的、新型可重构的快速数字空间光调制器（Spatial Light Modulator）。研究人员甚至希望通过将单一超表面晶胞（metasurface unit cells）整合到更复杂的基于悬臂的MEMS设计中，使超透镜本身能重构。