MEMS与超透镜相结合,在传感器中操控光线

近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

背景

前不久，笔者刚介绍过美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发的大面积自适应超透镜（metalens），它有望成为未来的“人造眼”。

超材料和微机电系统（MEMS）两项技术看似无关，但是科研人员在尝试将它们结合。例如，美国杜克大学科研人员就结合这两项技术，设计出了首个具有红外线发射特性的超颖材料装置，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，还可用于废热利用。此外，这种可重构的超颖材料还有望应用于动态红外线光学隐身斗篷，以及红外线范围内的负折射率介质。

创新

近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜（方片）的近距离视图。MEMS与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜（圆形）的近距离视图。MEMS与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）

阿贡国家实验室纳米材料中心（美国能源部的一个科学用户设施办公室）纳米制造和装置小组的负责人Daniel Lopez、Capasso以及四位合著者在《APL Photonics》杂志上发表了一篇题为“基于MEMS技术的动态超表面透镜”（"Dynamic metasurface lens based on MEMS technology."）的论文，描述了相关研究成果。

最终的研究成果是一种新型红外光线聚焦系统，它集合了这两项技术的最佳功能，缩小了光学系统的尺寸，可用于无人驾驶汽车和货车的周围环境扫描。

技术

超透镜比现有透镜更轻更薄，并可以使用与制造计算机芯片同样的技术制造。与此同时，MEMS 也是由可移动的微型镜子组成的小型机械装置。

Daniel Lopez表示：“这些装置对于如今的许多技术来说都很关键。它们已经遍布各个领域，从激活汽车安全气囊到智能手机的全球定位系统，都可以看到这些装置的身影。”

在论文中，科研人员描述了他们是如何制造和测试这种新型装置。这些装置的直径是900微米，厚度是10微米（人类头发丝的厚度约为50微米）。

在这两项技术融合的光学系统中，MEMS 镜子反射扫描光线，然后超透镜会聚焦这些光线，并且无需额外的光学组件，例如聚焦透镜。阿贡国家实验室和哈佛法大学的团队成功地将两种技术结合到一起，而不会影响彼此的性能。

最终的目标是，通过使用如今制造电子器件的同样技术，制造光学系统所有组件：MEMS、光源和基于超表面的光学器件。Lopez表示：“然后，从根本上说，光学系统可以与信用卡一样薄。”

目前，在阿贡国家实验室纳米材料中心、SEAS以及哈佛大学纳米系统中心（美国国家纳米技术协同基础设施的一部分）的科学家们正在合作进一步开发两项技术的新型应用。

价值

这些位于MEMS上的透镜装置，将会推进LIDAR系统，用于为无人驾驶汽车引路。作为对比，目前的LIDAR系统扫描其紧邻的障碍物时，直径只有几英尺。

Lopez表示：“你需要特殊的、大型的、笨重的透镜，而且还需要机械物体来移动它们，这样会变得缓慢且昂贵。”

Capasso表示：“这是史上首次成功地将MEMS技术和超透镜技术相结合，他们的高度兼容的技术实现了这一目标，将为光学系统带来高速和敏捷，以及前所未有的功能。”