麻省理工學院的一項研究工作為光學設備、無人機和照相機等應用開發出一種無需形變或物理運動的主動變焦超透鏡。

據麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）近期設計了一款可調焦距的超透鏡，它可以不需要改變透鏡的位置或形狀，即可聚焦不同距離的物體。

該款超透鏡可以無需對其鏡頭元件進行物理移動，或利用各類機械執行器達到物理移動的效果而實現變焦，這將為手機或夜視鏡等帶來新應用。

麻省理工學院開發的這種超透鏡不是由傳統光學材料制成，而是由一種透明化合物制成，可以改變其固相（原子結構），從而改變其光學特性。這項研究已發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上。

“一般來講，在完成光學元件的加工制造后，調整其光學特性非常困難。這就是為什么我們開發的這類平臺對于光學工程師來說就像圣杯一樣，它可以讓超透鏡在大范圍內高效變焦。”麻省理工學院的Mikhail Shalaginov介紹說。

超透鏡表面的微觀圖像
（圖片來源：麻省理工學院）

由于納米結構或對材料表面的其它修飾而具備新性能的超表面（metasurfaces），在許多方面的應用越來越有吸引力，研究人員目前正在開發多種制造技術，以構建超表面。盡管此類元件的調諧范圍和光學效率有一定的限制，但主動可調超表面仍是一段時間以來的研究主題。

根據麻省理工學院的這項研究，由于設計的復雜性以及對計算效率的設計和驗證方法的需求，通過主動超表面進行波前整形在很大程度上是一個尚未探索的挑戰。

該難題通過使用一種名為GST的鍺、銻和碲的相變化合物來解決，當提供適當的熱量時，這種化合物能夠在透明狀態和不透明狀態之間切換。麻省理工學院對該類化合物進行了修飾，額外添加了硒，形成了GSST。當該類材料相變時，會從非晶結構變為晶體結構，進而影響材料的折光力，但不影響其透明度。

實現連續調焦

項目組在氟化鈣基板上制備了1微米厚的GSST層，并通過將GSST層蝕刻成各種不同形狀的結構特征，創建了超表面。

根據該理論，當GSST處于非晶狀態時，一組表面結構將與入射光相互作用，而當GSST相變為晶體狀態時，其它表面結構與入射光相互作用，從而改變材料的宏觀光學特性。

不同表面結構對入射光的相互作用不同
（圖片來源：麻省理工學院）

麻省理工學院材料研究實驗室的Tian Gu說：“構建可在不同特性之間切換的超表面是一個復雜的過程，并且需要精心設計使用的形狀和圖案。通過掌握材料相變的光學特性，我們可以設計一種特定的圖案，使超透鏡在非晶態時聚焦在某點，而在相變為晶態后聚焦另一點。”

項目研究人員在使用紅外激光光源發出的光和圖案化目標物體進行的試驗中，在加熱引起相變之前，利用超透鏡對一個目標物體生成了清晰的圖像。而在加熱引起材料相變之后，這個超透鏡對另一個距離更遠的目標物體生成了同樣清晰的圖像。這證明無需光學元件的任何機械運動，就可實現兩種不同距離的物體成像。

對于這個用于概念驗證的超透鏡，研究人員利用熔爐退火引發了相變效應。該研究團隊認識到，對于未來商業化應用的相同原理光學元件，將需要某種形式的電子開關。

根據麻省理工學院的研究，這可以通過使用集成微加熱器以短毫秒脈沖加熱材料來實現，同樣的方法也可創建其它中間相態，從而實現連續焦距調整。

Mikhail Shalaginov說：“這就像做牛排：從生牛排開始，可以做全熟的，也可以做三分熟的，或者介于其間的任意成熟度。在未來，這個獨特的平臺將幫助我們任意控制超透鏡的焦距。”

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