整合在MEMS掃描器上的基於超表面技術的平面透鏡, 左圖為掃描電鏡圖片, 右圖為光學顯微成像圖片. 在MEMS器件上整合超級透鏡, 將有助於整合高速動態控制和精確波陣面空間控制優勢, 打造光控制新模型
目前, 透鏡技術在各個領域都獲得了長足的發展, 從數位相機到高頻寬光纖, 再到雷射幹涉儀引力波天文台 LIGO的 儀器設備 等. 現在, 利用標準的計算機晶片製造技術開發出了一種新的透鏡技術, 或將替代傳統曲面透鏡複雜的多層結構和幾何結構.
與傳統曲面透鏡不同, 基於超表面光學納米材料的平面透鏡相對更輕. 當超表面亞波長納米結構形成某種重複圖紋時, 它們便可以模仿能夠折射光線的複雜曲度, 但是體積更小, 聚光能力更強, 同時還能減少失真. 不過, 大部分這種納米結構器件都是靜態的, 功能性有限.
據麥姆斯諮詢報道, 超級透鏡技術開拓者——美國哈佛大學應用物理學家Federico Capasso, 和MEMS技術早期開發者——美國阿爾貢國家實驗室納米製造和器件小組負責人Daniel Lopez, 他們倆來了一番頭腦風暴, 為超級透鏡增加了運動控制能力, 例如快速掃描和光束控制能力, 或將開闢超級透鏡新應用.
Capasso和Lopez聯手開發了一款器件, 在MEMS上整合了中紅外光譜超級透鏡. 他們將該研究成果發表在了本周的《APL Photonics》期刊上.
MEMS是一種結合微電子和微機械的半導體技術, 在計算機和智能手機中可以找到, 包括感測器, 執行器和微齒輪等機械微結構. MEMS現在幾乎無處不在, 從智能手機到汽車安全氣囊, 生物感測器件以及光學器件等, MEMS可以藉助典型計算機晶片中的半導體技術完成製造.
Lopez說: '在一個矽晶片上高密度整合數千個獨立控制的MEMS透鏡器件, 可以實現光學領域前所未有的光控制和操作. '
研究人員在一塊SOI絕緣體上矽 (2微米頂部器件層, 200納米掩埋氧化層以及600微米襯底層) 上, 採用標準光刻技術製造了這款超表面透鏡. 然後, 他們將這款平面透鏡與一個MEMS掃描器 (本質上是一個偏轉光線用於高速光路長度調製的微鏡) 的中心平台對齊, 通過沉積微小鉑片將它們固定在一起, 最終將該平面透鏡裝配在MEMS掃描器上.
'我們這款整合超表面透鏡的MEMS原型器件, 可以通過電控制改變平面透鏡的旋轉角度, 在幾度範圍內進行焦點掃描, ' Lopez介紹說, '此外, 這款整合超表面平面透鏡的MEMS掃描器概念驗證產品, 還可以擴展至可見光及其它光譜範圍, 開拓更廣泛的潛在應用, 例如基於MEMS的顯微系統, 全息和投影成像, LiDAR (雷射雷達) 掃描器和雷射列印等. '
在靜電驅動情況下, 其MEMS平台可控制兩個正交軸方向的透鏡運動角度, 使平面透鏡在每個方向約9度範圍內進行焦點掃描. 研究人員估計, 其聚焦效率約為85%.
'這種超級透鏡在未來可以利用半導體技術實現大規模量產, 或將在廣泛的應用領域替代傳統型透鏡, ' Capasso補充說.
