一种无需形变或物理运动的主动变焦超透镜

麻省理工学院的一项研究工作为光学设备、无人机和照相机等应用开发出一种无需形变或物理运动的主动变焦超透镜。

据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）近期设计了一款可调焦距的超透镜，它可以不需要改变透镜的位置或形状，即可聚焦不同距离的物体。

该款超透镜可以无需对其镜头元件进行物理移动，或利用各类机械执行器达到物理移动的效果而实现变焦，这将为手机或夜视镜等带来新应用。

麻省理工学院开发的这种超透镜不是由传统光学材料制成，而是由一种透明化合物制成，可以改变其固相（原子结构），从而改变其光学特性。这项研究已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

“一般来讲，在完成光学元件的加工制造后，调整其光学特性非常困难。这就是为什么我们开发的这类平台对于光学工程师来说就像圣杯一样，它可以让超透镜在大范围内高效变焦。”麻省理工学院的Mikhail Shalaginov介绍说。

超透镜表面的微观图像
（图片来源：麻省理工学院）

由于纳米结构或对材料表面的其它修饰而具备新性能的超表面（metasurfaces），在许多方面的应用越来越有吸引力，研究人员目前正在开发多种制造技术，以构建超表面。尽管此类元件的调谐范围和光学效率有一定的限制，但主动可调超表面仍是一段时间以来的研究主题。

根据麻省理工学院的这项研究，由于设计的复杂性以及对计算效率的设计和验证方法的需求，通过主动超表面进行波前整形在很大程度上是一个尚未探索的挑战。

该难题通过使用一种名为GST的锗、锑和碲的相变化合物来解决，当提供适当的热量时，这种化合物能够在透明状态和不透明状态之间切换。麻省理工学院对该类化合物进行了修饰，额外添加了硒，形成了GSST。当该类材料相变时，会从非晶结构变为晶体结构，进而影响材料的折光力，但不影响其透明度。

实现连续调焦

项目组在氟化钙基板上制备了1微米厚的GSST层，并通过将GSST层蚀刻成各种不同形状的结构特征，创建了超表面。

根据该理论，当GSST处于非晶状态时，一组表面结构将与入射光相互作用，而当GSST相变为晶体状态时，其它表面结构与入射光相互作用，从而改变材料的宏观光学特性。

不同表面结构对入射光的相互作用不同
（图片来源：麻省理工学院）

麻省理工学院材料研究实验室的Tian Gu说：“构建可在不同特性之间切换的超表面是一个复杂的过程，并且需要精心设计使用的形状和图案。通过掌握材料相变的光学特性，我们可以设计一种特定的图案，使超透镜在非晶态时聚焦在某点，而在相变为晶态后聚焦另一点。”

项目研究人员在使用红外激光光源发出的光和图案化目标物体进行的试验中，在加热引起相变之前，利用超透镜对一个目标物体生成了清晰的图像。而在加热引起材料相变之后，这个超透镜对另一个距离更远的目标物体生成了同样清晰的图像。这证明无需光学元件的任何机械运动，就可实现两种不同距离的物体成像。

对于这个用于概念验证的超透镜，研究人员利用熔炉退火引发了相变效应。该研究团队认识到，对于未来商业化应用的相同原理光学元件，将需要某种形式的电子开关。

根据麻省理工学院的研究，这可以通过使用集成微加热器以短毫秒脉冲加热材料来实现，同样的方法也可创建其它中间相态，从而实现连续焦距调整。

Mikhail Shalaginov说：“这就像做牛排：从生牛排开始，可以做全熟的，也可以做三分熟的，或者介于其间的任意成熟度。在未来，这个独特的平台将帮助我们任意控制超透镜的焦距。”

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