新領域：基于MEMS的可重構超透鏡

美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）和哈佛大學（Harvard University）的研究人員在《APL Photonics》期刊發(fā)表了題為“Dynamic metasurface lens based on MEMS technology”的論文，論文詳細闡述了研究人員通過將定制設計的超表面轉移到2D掃描MEMS平臺上，從而創(chuàng)造出極薄的可重構透鏡的操作過程。人造的亞波長金屬和/或介電模式使得超表面具有特殊的光學性質(zhì)，該性質(zhì)可通過在2D平面上排布納米光學元件來進行調(diào)諧，從而模擬常規(guī)體光學透鏡的相位分布。在該論文中，研究人員指出雖然超表面研究并不是新技術，但它們往往是靜態(tài)的。因此，將超表面安裝在如2D掃描器等靜電驅動MEMS平臺會上開辟新的應用領域，目前這些領域往往正在使用較重的傳統(tǒng)透鏡。

圖為本研究制造透鏡的掃描電子顯微鏡圖像，顯示了盤狀的超表面晶胞（metasurface unit cells）研究人員開始設計了一種等離子體透鏡，就像圓柱形透鏡一樣，當被單色中紅外光照射（約4.6 μm波長）時，會產(chǎn)生一個線聚焦。這里的偏振獨立設計晶胞（unit cells）由盤狀的50nm厚的黃金諧振器組成，它們生長在200nm厚的金薄膜頂部400nm厚的二氧化硅層上。由于改變超材料上圓盤的半徑，會改變反射光線的相位，研究人員得以通過在平面透鏡上精心選擇的亞波長直徑的空間分布來創(chuàng)建雙曲線相位分布。用標準光刻技術在絕緣體上硅（SOI）晶圓上制造的0.8 x 0.8 mm超透鏡，能夠以5 mm的焦距將入射光以θ = 45°角聚焦到透鏡表面。接著，研究人員為了實現(xiàn)動態(tài)光控制，將超透鏡剝離并將其轉移到2D MEMS掃描器上，這種掃描器能夠控制透鏡沿著兩個正交軸在± 9°間動態(tài)掃描。這是一個可以用來補償離軸入射光，從而修正慧差（comatic aberrations）的應用。文章指出，對于低角度位移，集成MEMS上透鏡系統(tǒng)（lens-on-MEMS system）并不影響MEMS執(zhí)行器的機械性能，并可保持聚焦束分布和所測量的半高全寬（FWHM）。研究人員指出，這種概念驗證的MEMS上超透鏡（metalens-on-a-MEMS）集成可擴展到電磁波譜的可見光部分和其他頻譜部分，用于包括基于MEMS的顯微鏡系統(tǒng)、全息和投影成像、激光雷達掃描或激光打印在內(nèi)的廣泛應用。

圖為在MEMS掃描器上集成圓形的基于超表面的平面透鏡，可實現(xiàn)高速動態(tài)控制和精確的波前空間處理但研究人員也設想，通過將這樣成千上萬的超透鏡集成到大型動態(tài)可重構的MEMS微鏡上，同時對每個超透鏡進行單獨2D控制，就能創(chuàng)造一種具有獨特光學控制和操作能力的、新型可重構的快速數(shù)字空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator）。研究人員甚至希望通過將單一超表面晶胞（metasurface unit cells）整合到更復雜的基于懸臂的MEMS設計中，使超透鏡本身能重構。