超材料透鏡可能引發光學儀器的顛覆性變革

最近，哈佛大學的研究團隊通過堆疊約600納米高的二氧化鈦（TiO₂）“納米磚”構建了一種平坦、紙薄的凝聚透鏡。這種新型透鏡可能會對光學儀器帶來革命性的變化。

鏡頭是許多光學儀器和電子產品中不可或缺的組件。傳統鏡頭通常由玻璃製成；然而，由於其固有的體積和重量，玻璃鏡頭往往使儀器變得笨重——當需要多個鏡頭時，這一問題變得更加明顯。

超材料長期以來一直是光子晶體領域的關鍵研究焦點。超材料的本質在於其納米結構，這些結構的尺寸小於光的波長。這些結構可以通過不同的形狀、大小和排列與光子“玩耍”地互動：它們可以根據需要阻擋、吸收、增強或折射光子。

截至目前，超材料尚未在光学镜头领域得到广泛应用。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体材料。

最近，一篇發表在《科學》期刊的學術論文顯示，超材料的實際應用現在已經觸手可及。哈佛大學的研究團隊通過堆疊約600納米高的二氧化鈦（TiO₂）“納米磚”，構建了一個平坦、紙薄的聚焦透鏡。選擇二氧化鈦主要是因為這種材料對可見光的吸收並不顯著。這種超材料透鏡的有效放大倍率高達170倍，放大圖像的解析度可與傳統玻璃透鏡相媲美。這種新型透鏡確實可能在光學儀器中帶來革命性的變革。

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缩小，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。