近日，美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與哈佛大學(xué)的研究人員進(jìn)行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和超透鏡結(jié)合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺(tái)頂層之上的超透鏡。

背景

前不久，筆者剛介紹過(guò)美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研人員開發(fā)的大面積自適應(yīng)超透鏡（metalens），它有望成為未來(lái)的“人造眼”。

超材料和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）兩項(xiàng)技術(shù)看似無(wú)關(guān)，但是科研人員在嘗試將它們結(jié)合。例如，美國(guó)杜克大學(xué)科研人員就結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了首個(gè)具有紅外線發(fā)射特性的超穎材料裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可用于廢熱利用。此外，這種可重構(gòu)的超穎材料還有望應(yīng)用于動(dòng)態(tài)紅外線光學(xué)隱身斗篷，以及紅外線范圍內(nèi)的負(fù)折射率介質(zhì)。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與哈佛大學(xué)的研究人員進(jìn)行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和超透鏡結(jié)合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺(tái)頂層之上的超透鏡。

下圖是集成到MEMS掃描器中的基于超表面的平面透鏡（方片）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結(jié)合，通過(guò)結(jié)合高速動(dòng)態(tài)控制和精準(zhǔn)波前空間處理的優(yōu)勢(shì)，在傳感器中操控光線。這幅圖像由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心的光學(xué)顯微鏡拍攝。

（圖片來(lái)源：美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

下圖是集成到MEMS掃描器中的基于超表面的平面透鏡（圓形）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結(jié)合，通過(guò)結(jié)合高速動(dòng)態(tài)控制和精準(zhǔn)波前空間處理的優(yōu)勢(shì)，在傳感器中操控光線。這幅圖像由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心的光學(xué)顯微鏡拍攝。

（圖片來(lái)源：美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心（美國(guó)能源部的一個(gè)科學(xué)用戶設(shè)施辦公室）納米制造和裝置小組的負(fù)責(zé)人Daniel Lopez、Capasso以及四位合著者在《APL Photonics》雜志上發(fā)表了一篇題為“基于MEMS技術(shù)的動(dòng)態(tài)超表面透鏡”（"Dynamic metasurface lens based on MEMS technology."）的論文，描述了相關(guān)研究成果。

最終的研究成果是一種新型紅外光線聚焦系統(tǒng)，它集合了這兩項(xiàng)技術(shù)的最佳功能，縮小了光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，可用于無(wú)人駕駛汽車和貨車的周圍環(huán)境掃描。

技術(shù)

超透鏡比現(xiàn)有透鏡更輕更薄，并可以使用與制造計(jì)算機(jī)芯片同樣的技術(shù)制造。與此同時(shí)，MEMS 也是由可移動(dòng)的微型鏡子組成的小型機(jī)械裝置。

Daniel Lopez表示：“這些裝置對(duì)于如今的許多技術(shù)來(lái)說(shuō)都很關(guān)鍵。它們已經(jīng)遍布各個(gè)領(lǐng)域，從激活汽車安全氣囊到智能手機(jī)的全球定位系統(tǒng)，都可以看到這些裝置的身影。”

在論文中，科研人員描述了他們是如何制造和測(cè)試這種新型裝置。這些裝置的直徑是900微米，厚度是10微米（人類頭發(fā)絲的厚度約為50微米）。

在這兩項(xiàng)技術(shù)融合的光學(xué)系統(tǒng)中，MEMS 鏡子反射掃描光線，然后超透鏡會(huì)聚焦這些光線，并且無(wú)需額外的光學(xué)組件，例如聚焦透鏡。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和哈佛法大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成功地將兩種技術(shù)結(jié)合到一起，而不會(huì)影響彼此的性能。

最終的目標(biāo)是，通過(guò)使用如今制造電子器件的同樣技術(shù)，制造光學(xué)系統(tǒng)所有組件：MEMS、光源和基于超表面的光學(xué)器件。Lopez表示：“然后，從根本上說(shuō)，光學(xué)系統(tǒng)可以與信用卡一樣薄。”

目前，在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心、SEAS以及哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心（美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施的一部分）的科學(xué)家們正在合作進(jìn)一步開發(fā)兩項(xiàng)技術(shù)的新型應(yīng)用。

價(jià)值

這些位于MEMS上的透鏡裝置，將會(huì)推進(jìn)LIDAR系統(tǒng)，用于為無(wú)人駕駛汽車引路。作為對(duì)比，目前的LIDAR系統(tǒng)掃描其緊鄰的障礙物時(shí)，直徑只有幾英尺。

Lopez表示：“你需要特殊的、大型的、笨重的透鏡，而且還需要機(jī)械物體來(lái)移動(dòng)它們，這樣會(huì)變得緩慢且昂貴。”

Capasso表示：“這是史上首次成功地將MEMS技術(shù)和超透鏡技術(shù)相結(jié)合，他們的高度兼容的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，將為光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)高速和敏捷，以及前所未有的功能。”