科技新闻 | 利用液晶改进超透镜

引入液晶设计可重构的透镜，提升超透镜的实时动态调节能力！原文链接^[1].

多年来，人们已经掌握了利用玻璃制造透镜来控制光的传播，进一步地通过改变透镜面型或组合透镜来对近处或远处的物体进行清晰地投影或成像。

在过去的十年里，来自哈佛大学（Harvard university）的Capasso教授设计了超表面来控制光场，简单地说就是在透明的基底上周期性地排布一些微单元（如纳米柱），这样便可以像透镜一样控制光的传播，而且没有玻璃自身固有的像差。该技术在2019年被世界经济论坛（World Economic Forum, WEF）选为10大新兴技术之一，WEF评论指出这种小型、成像清晰的透镜将会在不久的将来应用在手机、传感器、以及如内窥镜等医疗成像设备上。

WEF表示“传统的玻璃切割、弯曲技术已经无法满足手机、电脑以及其它电子设备上的小型镜头的需求，这个新的小型平面透镜将会替代传统的玻璃透镜，同时可以使传感器以及成像设备中的镜头更加小型化。”最近，Case Western Reserve University 的物理学教授Giuseppe Strangi与哈佛大学的合作者通过使超透镜“重构”使其可以更加灵活多用。Strangi说“他们利用纳米尺度的力学性质使液晶渗透到超透镜的微单元之间来动态地控制光的传播——调节透镜的聚焦能力”。

液晶被广泛的使用，是因为它们的性质可以通过外加的热、电、磁、光等刺激来改变，这对制作灵活、可“重构”的超透镜是一个很潜在的应用。

到目前为止，一个确定面型的透镜只有一种弯折光线的能力，除非与其它透镜联用或者改变透镜的（与光源的相对位置）位置。超透镜通过控制光的相位、振幅以及偏振来控制光的波前。但是一块超透镜都是为了一个目标而设计，它具有单一的几何结构，这就导致超透镜只能应用在某一种场景。为了使超透镜可以更加灵活多用，设计可“重构”的超透镜是很有必要的。现在，Strangi等通过控制液晶来制造可“重构”的超透镜，他们的成果发表在Proceedings of the National Academy of Sciences。其基本思想就是液晶渗透到超透镜中，相当于改变了各个微单元周围的环境（折射率），这样导致超透镜的光学性能（如聚焦能力）的改变。

Figure 1 扫面电镜下的超透镜

Figure 2 浸润上不同液晶的超透镜的点扩散函数

Figure 3 浸润不同液晶的超透镜的聚焦能力对比

(以上图片摘自文献^[2])
2014年首次发表超透镜的Capasso教授相信Strangi等通过液晶来“重构”超透镜是一个很革新的想法。他认为目前有能力通过液晶来动态调节超透镜的聚焦能力，也希望将来会做出完全可“重构”的平面透镜。

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1. Case Western Reserve University. "A new lens on the world: Improving the metalens with liquid crystal." ScienceDaily. ScienceDaily, 20 August 2020. . ↩

2. Andrew Lininger, Alexander Y. Zhu, Joon-Suh Park, Giovanna Palermo, Sharmistha Chatterjee, Jonathan Boyd, Federico Capasso, Giuseppe Strangi. Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202006336 DOI: 10.1073/pnas.2006336117 ↩