超透镜使用热而不是机械移动来改变聚焦

麻省理工学院研究人员开发的一种新型超透镜设计，能够在不倾斜、不向前或向后移动的情况下改变对焦，它可用于无人机的微型热范围、用于手机的超小型热像仪和低配置的夜视镜，据其开发者说。镜头技术使用热量来聚焦不同的物体，在红外波段中运行。在当前的架构中，镜头必须移动，才能将透镜聚焦到物体上或某个点上。为了制造这种透镜，研究人员研究了GST（一种常用于可重写CD和DVD的材料）的之前的研究进展，并关注于它在激光加热时在透明状态和不透明状态之间切换的能力。在之前的工作中，麻省理工学院的研究人员还加入了另一种元素——铀。这种新材料GSST在光学上是透明的，在红外波段中折射光。它在室温下有一个无定形的，混乱无序的结构。一旦用激光加热，它就会改变为有序的晶体结构。随着材料结构的变化，其光学特性也发生了变化，例如折射率发生变化，尽管透明度基本保持不变。

超透镜由 GSST 制成，使用精心制作的图案结构折射红外光。当对其加热时，它的结构会发生变化，从而能够改变其焦点。Tian Gu等人供图。

考虑到这项工作，研究人员调查了其在超透镜设计中的潜力。要创建透镜，材料会用微小的、精确的图案结构蚀刻。这些结构结合在一起折射或反射光线。研究人员用一层1µm厚的GSST制造了这个镜头。麻省理工学院材料研究实验室的研究员Tian Gu说："构建在不同功能之间切换的超表面是一个复杂的过程，需要精心地设计使用什么样的形状和图案。通过了解材料的特性，我们可以设计一种特定的模式，该模式将在无定形结构时聚焦于某个点，并在晶体结构是聚焦为另一点。"

研究人员把超透镜放置在台上，然后用红外激光器照亮超透镜来测试它。在镜头前的某些距离，他们放置了分辨率图，即由水平和垂直条的双面图案组成的透明物体，它通常用于测试光学系统。在初始无定形状态下，镜头生成了第一个图案的清晰图像。然后，研究人员加热透镜，将材料转移到晶体相位。随着晶体过渡完成和热源被移除，镜头产生了同样清晰的第二个图像。

"研究结果表明，我们的超薄可调节透镜无需移动部件，它可以实现位于不同深度的重叠物体的无偏差成像，比传统的笨重光学系统更胜一筹。" Gu说。这些笨重的光学系统通常需要几个镜头才能产生无偏差的图像。当手动对焦在典型的SLR相机上时，镜头系统管壁上的焦圈被转动，从而机械地来回改变内部镜头系统的位置，使不同距离的物体对焦。对于具有固定光学特性的超透镜来说，改变对焦需要类似的系统。博士后助理Mikhail Shalaginov对光子媒体说："这项工作意义重大，因为它能够在没有机械移动部件的情况下调整光学元件，同时第一次实现保持极限衍射的性能。后者很重要，因为它确保图像清晰度在调整过程中不会受到影响。"

应用以及下一步

据研究人员称，超透镜可以由集成微加热器制造，用短毫秒脉冲时间内快速加热材料。通过改变加热条件，它们还可以调整到材料的中间状态，从而实现连续的对焦调节。"我们可以使用集成的微热器来逆向控制相位的变化，" Gu告诉Photonics Media。"对于非晶化操作，发送一个短而大的脉冲将材料加热超过熔点，然后淬火以保持无定形状态。对于结晶，我们用更长和更小的脉冲将材料保持在熔点以下。材料是非易失性的：它不需要保持在一定的温度来保持焦点，对焦过程本身是非常快的。Photonic Materials实验室首席研究员、材料科学与工程副教授Juejun Hu对光子学媒体表示："对于非晶化操作来说，只有几微秒，而对于结晶化操作而言，根据我们目前的材料，我们可能下降到大约一毫秒。"我们可以通过调整材料组成成分，使结晶速度更快或者更慢。切换速度可以满足绝大多数应用，因为它比机械移动镜头快的多。

展望未来，研究人员正在努力开发这项技术以运用到实际应用中。目前，他们的目标是基于这项技术的副焦变焦镜头。"一旦实现，我们可以大大简化变焦镜头架构，而无需移动部件，" Hu说。研究人员还表示有兴趣实现紧凑的光学模块，它可以与标准仪器，如红外成像仪或显微镜整合在一起。这项研究发表在《Nature Communications》上。(www.doi.org/10.1038/s41467-021-21440-9).