超材料透镜可能引发光学仪器的颠覆性变革

最近，哈佛大学的一个研究团队通过堆叠高度约为600纳米的二氧化钛（TiO₂）“纳米砖”构建了一种平坦、纸薄的聚焦透镜。这种新型透镜可能会给光学仪器带来革命性的变化。

镜头是许多光学仪器和电子产品中不可或缺的组件。传统镜头通常由玻璃制成；然而，由于其固有的体积和重量，玻璃镜头常常使仪器变得笨重——当需要多个镜头时，这个问题变得更加明显。

超材料长期以来一直是光子晶体领域的关键研究重点。超材料的本质在于其纳米结构，这些结构的尺寸小于光的波长。这些结构可以通过不同的形状、大小和排列与光子“玩耍”：它们可以根据需要阻挡、吸收、增强或折射光子。

截至目前，超材料尚未广泛应用于光学镜头领域。其核心原因（也是超材料镜头与玻璃镜头之间的主要区别）在于超材料对光具有高度的“波长选择性”。换句话说，针对红光有效的镜头无法聚焦绿光，反之亦然。此外，开发适合可见光谱（人眼可感知的光）的材料被证明相当具有挑战性。早期的超材料主要是基于硅的表面等离子材料。

最近，发表在《科学》杂志上的一篇学术论文表明，超材料的实际应用现在触手可及。哈佛大学的一个研究团队通过堆叠高度约为600纳米的二氧化钛（TiO₂）“纳米砖”构建了一种平坦、纸薄的聚焦透镜。选择二氧化钛主要是因为这种材料对可见光没有显著的吸收。这种超材料透镜的有效放大倍数高达170倍，放大图像的分辨率可与传统玻璃透镜相媲美。这种新型透镜确实可能在光学仪器中带来革命性的变革。

然而，超材料透镜目前只能应用于使用激光的仪器（激光是一种具有单一波长的电磁波）。如果有一天克服了处理复合波长的挑战，所有光学仪器将经历一次颠覆性的变化。一旦这一突破实现，光学透镜的尺寸将显著减小，成本将大幅下降，我们对大多数现有光学设备的理解也将经历一次颠覆性的转变。