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(fā)出一種無需形變或物理運動的主動變焦超透鏡。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）近期設計了一款可調(diào)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(zhí)行器達到物理移動的效果而實現(xiàn)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(fā)的這種超透鏡不是由傳統(tǒng)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(fā)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(diào)整其光學特性非常困難。這就是為什么我們開發(fā)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(nèi)高效變焦?！甭槭±砉W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(fā)多種制造技術，以構建超表面。盡管此類元件的調(diào)諧范圍和光學效率有一定的限制，但主動可調(diào)超表面仍是一段時間以來的研究主題。

根據(jù)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(zhàn)。

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?shù)臒崃繒r，這種化合物能夠在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)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?yōu)榫w結構，進而影響材料的折光力，但不影響其透明度。

實現(xiàn)連續(xù)調(diào)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(chuàng)建了超表面。

根據(jù)該理論，當GSST處于非晶狀態(tài)時，一組表面結構將與入射光相互作用，而當GSST相變?yōu)榫w狀態(tài)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(tài)時聚焦在某點，而在相變?yōu)榫B(tài)后聚焦另一點?！?br />
項目研究人員在使用紅外激光光源發(fā)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(xiàn)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(fā)了相變效應。該研究團隊認識到，對于未來商業(yè)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(jù)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(xiàn)，同樣的方法也可創(chuàng)建其它中間相態(tài)，從而實現(xiàn)連續(xù)焦距調(diào)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?nèi)我饪刂瞥哥R的焦距。”

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