超透镜为虚拟和增强现实等应用开创了新的可能性

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超透镜 - 使用纳米结构聚焦光的平坦表面 - 通过用简单，平坦的表面取代目前在光学器件中使用的庞大的弯曲透镜来实现光学革命。但是，这些超透镜可以聚焦的光线仍然是有限的。现在，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的一个研究小组开发了首单透镜，可以以很高的分辨率将整个可见光谱（包括白光）聚焦在同一个点。而在传统的透镜中，只能通过堆叠多个透镜才能实现。

这项研究发表在Nature Nanotechnology上。

这个扁平的超透镜是首个单镜头，可以以很高的分辨率集中整个可见光谱 - 包括白光 - 在同一个光斑位置。它使用二氧化钛纳米阵列来平均地聚焦光的不同波长并消除色差。图片来源：Jared Sisler / Harvard SEAS

聚焦整个可见光谱和白光（所有光谱颜色的组合） - 非常具有挑战性，因为每个波长都以不同的速度穿过材料。例如，红色波长将比蓝色更快地通过透镜，所以两种颜色将在不同的时间到达相同的位置，导致不同的焦点。这会产生称为色差的图像失真。

相机和光学仪器使用不同厚度和材料的多个曲面透镜来校正这些像差，这当然会增加装置的体积。

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SEA电机工程高级研究员，该研究的高级作者，Robert L. Wallace应用物理学教授，Vinton Hayes高级研究员Federico Capasso说：“超透镜比传统镜头具有优势。超透镜较薄，易于制造，成本效益高，这一突破将这些优势延伸到整个可见光范围，这是未来光学发展的下一个重大步骤。”

哈佛大学技术开发办公室（OTD）已经保护了与这个项目有关的知识产权，并且正在探索商业化的机会。

由Capasso和他的团队开发的超透镜使用二氧化钛纳米鳍阵列，同样聚焦光的波长和消除色差。先前的研究表明，不同波长的光可以聚焦在不同的距离上，通过优化纳米鳍的形状、宽度、距离和高度。在这个最新的设计中，研究人员创造了成对纳米鳍，可以同时控制不同波长的光的速度。成对的纳米鳍扼制器控制着变换面上的折射率，并且被调整为导致穿过不同翅片的光的不同时间延迟，从而确保所有波长同时到达焦点。

“在设计消色差的宽频带透镜方面，最大的挑战之一就是要确保元透镜所有不同点的输出波长同时到达焦点。”SEAS的博士后研究员，论文的第一作者Wei Ting Chen说，“通过将两个纳米鳍结合到一个元件中，我们可以调整纳米结构材料中的光速，以确保可见光中的所有波长都聚焦在同一个点上，使用一个超透镜。与复合标准的消色差透镜相比，这大大降低了厚度和设计的复杂度。”

这项研究的作者之一亚历山大·朱（Alexander Zhu）说：“使用我们的消色差透镜，我们可以进行高质量的白光成像，这使我们更加接近将它们整合到相机等常见光学设备中的目标。

接下来，研究人员的目标是放大镜头，到直径约1厘米。这将打开一系列新的可能性，例如在虚拟和增强现实中的应用。

这篇论文由Vyshakh Sanjeev，Mohammadreza Khorasaninejad，Zhujun Shi和Eric Lee合作的。它得到了美国空军科学研究办公室的部分支持。这项工作部分在纳米科学中心（CNS）进行，该中心是国家纳米技术协调基础设施（NNCI）的成员，并且得到了国家科学基金会的支持。