2013年5月24日

科學家製造出創紀錄的超材料平麵透鏡

（Nanowerk新聞美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家們首次展示了一種新型透鏡，這種透鏡可以以一種不同尋常的方式彎曲和聚焦紫外線，從而可以創造出漂浮在自由空間中的物體的幽靈般的3D圖像。這種易於製造的透鏡可以改善光刻技術、納米級的操作和製造，甚至是高分辨率的三維成像，以及在不同領域的許多尚未想象到的應用。

美國國家標準與技術研究所(NIST)的一個研究小組發明了一種由銀(綠色)和二氧化鈦(藍色)納米層交替形成的紫外線(UV)超材料。這種超材料具有與角度無關的負折射率，使其能夠充當平麵透鏡。在紫外光(紫色)照射下，放置在超材料平板上的任何形狀的樣本物體在平板另一側的自由空間中被投影為三維圖像。在這張圖中，平板左側不透明薄片上的環形開口在右側的光線中複製。左下:位於超材料平板表麵的鉻片上環形開口的掃描電子顯微照片。右下:紫外線照射下平板投影圖像的光學顯微照片，顯示了超材料平板作為平麵透鏡的作用。(來源:Lezec / NIST)

“傳統的鏡頭隻能捕捉三維物體的兩個維度，”該論文的合著者之一、NIST的徐婷(Ting Xu)說。“我們的平麵透鏡能夠投射出三維物體的三維圖像，與成像物體一一對應。”

發表在雜誌上的文章自然（紫外光全角負折射與主動平麵透鏡)解釋說，這種新型透鏡是由一塊具有特殊特性的超材料平板形成的，這種超材料會導致光向後流動——這是一種違反直覺的情況，在這種情況下，波和能量以相反的方向傳播，從而產生負折射率。

自然存在的物質，如空氣或水，具有正折射率。當你把一根吸管放進一杯水裏，從側麵看時，你就能看到這一點。由於空氣的折射率為1，而水的折射率約為1.33，因此稻草看起來是彎曲和破碎的。因為折射率都是正的，浸泡在水中的吸管部分相對於空氣中的部分看起來是向前彎曲的。

超材料的負折射率導致進入或離開該材料的光以與幾乎所有其他材料相反的方向彎曲。例如，如果我們把吸管放在一個充滿負折射率材料的玻璃杯中，浸泡的部分看起來會向後彎曲，完全不像我們習慣的光的行為。

1967年，俄羅斯物理學家維克多·韋塞拉戈(Victor Veselago)描述了一種同時具有負電介電常數和負磁導率的材料如何具有負折射率。(介電常數是測量材料對外加電場的響應，而磁導率是測量材料對外加磁場的響應。)

Veselago推斷，折射率為-1的材料可以用來製作平麵透鏡，而傳統的折射率透鏡是彎曲的。折射率為-1的平麵透鏡可用於直接成像三維物體，將三維複製品投射到自由空間。

像這樣的負折射率平麵透鏡也被預測能夠傳輸比光波長小得多的圖像細節，並創造出比由正折射率材料(如玻璃)製成的透鏡可能產生的更高分辨率的圖像。

從Veselago的預測開始，科學家們花了30多年的時間，才以超材料的形式創造出一種負折射率材料，這種材料是在亞波長尺度上設計的。在過去的十年裏，科學家們通過在平麵基底上製造重複的金屬圖案，製造出了在微波、紅外和可見光波長下工作的超材料。然而，科學家們想要控製的光波長越小，這些特征就需要越小，這使得製造結構變得越來越困難。到目前為止，製造在紫外線下工作的超材料是不可能的，因為它需要製造特征小到10納米或100億分之一米的結構。

此外，由於其設計固有的局限性，到目前為止，為紅外和可見光波長設計的這種類型的超材料被證明隻能向某個方向傳播的光具有負折射率，這使得它們很難用於成像和其他依賴折光的應用。

為了克服這些問題，NIST的研究人員從荷蘭FOM原子和分子物理研究所的一個小組最近提出的理論超材料設計中獲得了靈感。他們調整了設計，使其在具有特殊技術意義的紫外頻率範圍內工作。

據共同作者Xu、Amit Agrawal和Henri Lezec介紹，除了實現創紀錄的短波長外，他們的超材料透鏡本身就很容易製造。它不依賴於納米級的圖案，而是由交替的納米厚銀層和二氧化鈦層組成的簡單三明治，其構造是常規的。由於其獨特的設計由一堆強耦合的波導組成，支持向後波，這種超材料對入射光表現出負折射率，而不管入射光的傳播角度如何。

這種在紫外線下工作的Veselago平麵透鏡的實現是第一次在微波以外的任何頻率上演示平麵透鏡。通過使用其他材料的組合，有可能製造出類似的層狀超材料，用於光譜的其他部分，包括可見光和紅外。

超材料平麵透鏡在大約兩個波長的紫外光的距離上實現了它的折射作用，大約五十萬分之一米——這是傳統的折射光學(如玻璃透鏡)難以實現的焦距。此外，通過超材料的傳輸可以使用更高頻率的光作為開關來開啟和關閉，使得平麵透鏡也可以作為一個沒有移動部件的快門。

Lezec說:“我們的透鏡將為其他研究人員提供更大的靈活性，以在小長度尺度上操縱紫外線。”“紫外光具有高光子能量，有無數的應用，包括光化學、熒光顯微鏡和半導體製造。這一點，以及我們的鏡片很容易製造的事實，應該會鼓勵其他研究人員探索它的可能性。”

來源:NIST

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