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用于高分辨率成像的单层过渡金属硫族化合物透镜

发布时间: 2020-08-20 13:39:10   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

由二维过渡金属硫族化合物 (TMDC) 的单层制成的超薄光学透镜可以用于下一代成像设备。由澳大利亚斯威本科技大学的Baohua Jia教授领导的一个国际研究小组使用飞秒激光在TMDC晶体上制备出图形化的纳米颗粒。这个镜头具有亚波长分辨率和 31% 的三维对焦效率,为用于纳米光学和芯片上的光学应用的光学器件打下基础。其成果发表在近期《Light Science & Applications》杂志上。

传统透镜基于光的折射原理,使用不同的材料,球面和空间位置实现对光的控制。传统镜片的制造包括材料的选择、切割、粗磨、精细研磨、抛光和测试等工艺。为了尽量减少像差,包括色差、球面畸变和散光,通常要堆叠多层镜头以形成复合透镜,从而使得当前相机设备比较复杂而且笨重。科学家们因此在超薄平镜的开发方面投入了巨大的精力。与传统镜头不同,平面透镜使用纳米结构来调整光路。通过控制每个纳米元素的光学特性和空间位置,一些先进的功能得以实现,如无色和无差对焦以及高空间分辨率和特定共聚焦强度的分布。然而,当材料厚度降低到亚波长量级时,基于固有折射率和材料吸收,不足的相位调制或者振幅调制会导致透镜性能变差。

. 单层TMDC透镜的飞秒激光制作原理图。

虽然由多层TMDC制造的透镜已经问世,但当它的厚度降低到亚纳米量级时,其相位不足或振幅调制不足会导致聚焦效率低于1%。这个国际团队发现可以使用飞秒激光束与单层TMDC材料相互作用来产生纳米颗粒,这与连续波激光生产的工艺有着显著的不同。当激光脉冲太短,整个材料在激光过程后保持低温时,纳米颗粒可以牢固地附着在衬底上。纳米粒子表现出很强的散射来调节光的振幅。因此,由纳米颗粒制造的透镜可提供亚波长分辨率和高效率,使团队能够使用透镜演示受衍射受限的成像。

该项研究通过使用这样一种单层材料来制造透镜,整个展示过程消耗了最少的材料,而且也达到了理论极限。更重要的是飞秒激光制造技术是一个一步完成的简单工艺,这项工艺没有高真空或特殊环境的要求,它因此提供了最简单的方法来制造超薄的平面透镜。这样镜头更容易集成到任何光学或微流体器件中,并且有着广泛的应用。

第一作者Han Lin博士说:“我们使用世界上最薄的材料制造平面透镜,并证明超薄透镜的优良性能,并可以高分辨率成像。这种透镜显示了可应用于不同领域的巨大潜力,比如眼镜、显微镜镜头、望远镜和相机镜头。我们可以预见通过这项技术,相机镜头的重量和尺寸在不久的将来会大大减小。” Baohua Jia教授补充道:“很高兴看到飞秒激光处理2-D材料取得的这一独特成果。它开辟了可使用伸缩方法制造光学器件的可能性。”Qiaoliang Bao教授评论说,“我们可以将单层2-D材料透镜集成到所需的设备上,只需要将材料连接在所需的器件上,然后使用飞秒激光来完成制造过程。整个过程简单,方法灵活且成本低。我们因此也看到了这种方法的巨大应用潜力。”

来自新加坡国立大学的Chengwei Qiu教授预测说:“我们设计镜头的方式是,放大倍率不同的图像可以使用不同的聚焦平面。这种机制可以很容易地开发出光学变焦透镜,可用于手机摄像头上。目前,具有不同焦距的镜头用于实现各种的变焦功能。但我们的镜片只需一个设计即可实现不同的缩放率。”

 

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