《Science》封面：纳米阵列“超级镜头”，哈佛大学的革命性突破

提到“超级”镜头，人们想到的可能是记者或者摄影爱好者手拿肩扛的“长枪短炮”，或者是显微镜甚至太空望远镜。上面无论哪一种，都需要一系列的曲面透镜堆叠在一起以减少失真并解析出清晰的图像，这也是为什么高功率显微镜这么大，长焦镜头这么长。这些曲面透镜的加工精密度要求很高，还需要镀膜，无论是相机发烧友的镜头还是科研设备显微镜，价格都极其昂贵。

2014世界杯德国队夺冠后主教练勒夫被记者和“长枪短炮”包围。图片来源：凤凰网

今天介绍的“超级”镜头，却不是曲面透镜这种起源于19世纪的技术，而是真正的“超级镜头（meta-lenses or metalenses）”。这种登上《Science》封面的“超级镜头”，发明者是美国哈佛大学的Federico Capasso教授团队。他们使用高纵横比的二氧化钛纳米阵列构成“超表面（metasurfaces）”以控制其中光波相互作用的方式，得到了数值孔径（numerical aperture，NA）高达0.8的透镜，可在可见光谱范围内高效率工作，实现亚波长分辨率成像（subwavelength resolution imaging）。简单点说，就是一个比一张纸还要薄的透镜，可将图像放大170倍，而且图像质量还和当前世界上最先进的光学成像系统相当。（Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science, 2016, 352, 1190-1194, DOI: 10.1126/science.aaf6644）

图片来源：Science

“我们设计的平面透镜具有高数值孔径（NA = 0.8），这意味着它可以将光线聚焦到一个直径小于光波长的点上，”Capasso实验室的博后、本文共同第一作者Mohammadreza Khorasaninejad博士说，“透镜聚焦光线的能力越强，得到图像的分辨率就可能会越高。”

超级镜头设计示意图（A-E）、光学照片（G）、SEM图像（H）

Capasso教授说，“这项技术的革命性在于它可在可见光谱范围内工作，这意味着它有可能取代当今各种设备中的镜头，从显微镜到照相机和手机。”

这么强大的超级镜头，能不能大规模制造？价格会不会很高？这两个问题决定了这种超级镜头的终极命运——是实验室里的高科技玩具，还是真正改变世界的革命性突破。

很幸运，研究小组在选择原材料和技术时已经考虑到了这一点。他们所使用的二氧化钛是一种广泛使用的工业材料，制备容易，价格低廉。Capasso实验室的博后、本文另一位共同第一作者Wei Ting Chen博士说，“普通镜片需要精密研磨，任何曲率偏差，甚至组装过程中任何失误都会降低镜头的性能。”Capasso团队所用的技术是电子束光刻（electron beam lithography）和原子层沉积（atomic layer deposition），在当今的电子产品制造业中算是标准的计算机芯片制造技术。Capasso教授说，“在不久的将来，现在那些生产微处理器和内存芯片的工厂，将有希望以低成本大规模生产这种超级镜头。”

Khorasaninejad认为这种超小、超轻、超薄、柔性的超级镜头可以应用在很多方向，比如智能手机、相机、可穿戴设备、虚拟现实设备、科研设备等等，“想象一下它应用，可穿戴设备、柔性隐形眼镜甚至太空望远镜，这都有可能。”

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也许有一天，智能手机就可以当作显微镜，而隐形眼镜可以当作望远镜，那将是个怎样的世界？

1. http://science.sciencemag.org/content/352/6290/1190

2. http://www.sciencemag.org/news/2016/06/video-glitter-sized-metalenses-may-soon-power-your-smartphone-camera

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