近日，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學的研究人員進行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達（LIDAR）系統中廣泛應用的兩種技術：微機電系統（MEMS）和超透鏡結合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺頂層之上的超透鏡。

背景

前不久，筆者剛介紹過美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研人員開發的大面積自適應超透鏡（metalens），它有望成為未來的“人造眼”。

超材料和微機電系統（MEMS）兩項技術看似無關，但是科研人員在嘗試將它們結合。例如，美國杜克大學科研人員就結合這兩項技術，設計出了首個具有紅外線發射特性的超穎材料裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可用于廢熱利用。此外，這種可重構的超穎材料還有望應用于動態紅外線光學隱身斗篷，以及紅外線范圍內的負折射率介質。

創新

近日，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學的研究人員進行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達（LIDAR）系統中廣泛應用的兩種技術：微機電系統（MEMS）和超透鏡結合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺頂層之上的超透鏡。

下圖是集成到MEMS掃描器中的基于超表面的平面透鏡（方片）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結合，通過結合高速動態控制和精準波前空間處理的優勢，在傳感器中操控光線。這幅圖像由阿貢國家實驗室納米材料中心的光學顯微鏡拍攝。

（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）

下圖是集成到MEMS掃描器中的基于超表面的平面透鏡（圓形）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結合，通過結合高速動態控制和精準波前空間處理的優勢，在傳感器中操控光線。這幅圖像由阿貢國家實驗室納米材料中心的光學顯微鏡拍攝。

（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）

阿貢國家實驗室納米材料中心（美國能源部的一個科學用戶設施辦公室）納米制造和裝置小組的負責人Daniel Lopez、Capasso以及四位合著者在《APL Photonics》雜志上發表了一篇題為“基于MEMS技術的動態超表面透鏡”（"Dynamic metasurface lens based on MEMS technology."）的論文，描述了相關研究成果。

最終的研究成果是一種新型紅外光線聚焦系統，它集合了這兩項技術的最佳功能，縮小了光學系統的尺寸，可用于無人駕駛汽車和貨車的周圍環境掃描。

技術

超透鏡比現有透鏡更輕更薄，并可以使用與制造計算機芯片同樣的技術制造。與此同時，MEMS 也是由可移動的微型鏡子組成的小型機械裝置。

Daniel Lopez表示：“這些裝置對于如今的許多技術來說都很關鍵。它們已經遍布各個領域，從激活汽車安全氣囊到智能手機的全球定位系統，都可以看到這些裝置的身影。”

在論文中，科研人員描述了他們是如何制造和測試這種新型裝置。這些裝置的直徑是900微米，厚度是10微米（人類頭發絲的厚度約為50微米）。

在這兩項技術融合的光學系統中，MEMS 鏡子反射掃描光線，然后超透鏡會聚焦這些光線，并且無需額外的光學組件，例如聚焦透鏡。阿貢國家實驗室和哈佛法大學的團隊成功地將兩種技術結合到一起，而不會影響彼此的性能。

最終的目標是，通過使用如今制造電子器件的同樣技術，制造光學系統所有組件：MEMS、光源和基于超表面的光學器件。Lopez表示：“然后，從根本上說，光學系統可以與信用卡一樣薄。”

目前，在阿貢國家實驗室納米材料中心、SEAS以及哈佛大學納米系統中心（美國國家納米技術協同基礎設施的一部分）的科學家們正在合作進一步開發兩項技術的新型應用。

價值

這些位于MEMS上的透鏡裝置，將會推進LIDAR系統，用于為無人駕駛汽車引路。作為對比，目前的LIDAR系統掃描其緊鄰的障礙物時，直徑只有幾英尺。

Lopez表示：“你需要特殊的、大型的、笨重的透鏡，而且還需要機械物體來移動它們，這樣會變得緩慢且昂貴。”

Capasso表示：“這是史上首次成功地將MEMS技術和超透鏡技術相結合，他們的高度兼容的技術實現了這一目標，將為光學系統帶來高速和敏捷，以及前所未有的功能。”