集成在MEMS扫描器上的基于超表面技术的平面透镜, 左图为扫描电镜图片, 右图为光学显微成像图片. 在MEMS器件上集成超级透镜, 将有助于整合高速动态控制和精确波阵面空间控制优势, 打造光控制新模型
目前, 透镜技术在各个领域都获得了长足的发展, 从数码相机到高带宽光纤, 再到激光干涉仪引力波天文台 LIGO的 仪器设备 等. 现在, 利用标准的计算机芯片制造技术开发出了一种新的透镜技术, 或将替代传统曲面透镜复杂的多层结构和几何结构.
与传统曲面透镜不同, 基于超表面光学纳米材料的平面透镜相对更轻. 当超表面亚波长纳米结构形成某种重复图纹时, 它们便可以模仿能够折射光线的复杂曲度, 但是体积更小, 聚光能力更强, 同时还能减少失真. 不过, 大部分这种纳米结构器件都是静态的, 功能性有限.
据麦姆斯咨询报道, 超级透镜技术开拓者——美国哈佛大学应用物理学家Federico Capasso, 和MEMS技术早期开发者——美国阿尔贡国家实验室纳米制造和器件小组负责人Daniel Lopez, 他们俩来了一番头脑风暴, 为超级透镜增加了运动控制能力, 例如快速扫描和光束控制能力, 或将开辟超级透镜新应用.
Capasso和Lopez联手开发了一款器件, 在MEMS上集成了中红外光谱超级透镜. 他们将该研究成果发表在了本周的《APL Photonics》期刊上.
MEMS是一种结合微电子和微机械的半导体技术, 在计算机和智能手机中可以找到, 包括传感器, 执行器和微齿轮等机械微结构. MEMS现在几乎无处不在, 从智能手机到汽车安全气囊, 生物传感器件以及光学器件等, MEMS可以借助典型计算机芯片中的半导体技术完成制造.
Lopez说: '在一个硅芯片上高密度集成数千个独立控制的MEMS透镜器件, 可以实现光学领域前所未有的光控制和操作. '
研究人员在一块SOI绝缘体上硅 (2微米顶部器件层, 200纳米掩埋氧化层以及600微米衬底层) 上, 采用标准光刻技术制造了这款超表面透镜. 然后, 他们将这款平面透镜与一个MEMS扫描器 (本质上是一个偏转光线用于高速光路长度调制的微镜) 的中心平台对齐, 通过沉积微小铂片将它们固定在一起, 最终将该平面透镜装配在MEMS扫描器上.
'我们这款集成超表面透镜的MEMS原型器件, 可以通过电控制改变平面透镜的旋转角度, 在几度范围内进行焦点扫描, ' Lopez介绍说, '此外, 这款集成超表面平面透镜的MEMS扫描器概念验证产品, 还可以扩展至可见光及其它光谱范围, 开拓更广泛的潜在应用, 例如基于MEMS的显微系统, 全息和投影成像, LiDAR (激光雷达) 扫描器和激光打印等. '
在静电驱动情况下, 其MEMS平台可控制两个正交轴方向的透镜运动角度, 使平面透镜在每个方向约9度范围内进行焦点扫描. 研究人员估计, 其聚焦效率约为85%.
'这种超级透镜在未来可以利用半导体技术实现大规模量产, 或将在广泛的应用领域替代传统型透镜, ' Capasso补充说.
