可改变焦距的超透镜

由日本理化学研究所光子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