加州理工学院的工程师研制出平面器件，能够以传统光学元件难以甚至无法实现的方式操控光。
这些新器件并非由玻璃制成，而是由硅纳米柱精确排列成蜂窝状图案，形成一种“超表面”，可控制通过的光波路径与特性。
这些超表面器件的相关论文于2015年8月31日在线发表于期刊 Nature Nanotechnology，有望催生超紧凑型光学系统，例如先进显微镜、显示器、传感器和相机，这些系统可采用与制造计算机微芯片相同的光刻技术进行批量生产。
“目前，光学系统都是一次制作一个组件，而且这些组件通常需要手工组装，”表示 Andrei Faraon （2004届学士）是应用物理与材料科学助理教授，也是该研究的首席研究员。“但这项新技术与用于在硅晶圆上印制半导体芯片的技术非常相似，因此理论上一次可以制造数百万台显微镜或相机等系统。”
在扫描电子显微镜下观察，研究团队制造的新型超表面看起来就像一片只剩树桩的砍伐林地。每个硅树桩（即纳米柱）的横截面均为椭圆形。研究人员通过精确改变每根纳米柱的直径，并使其绕轴旋转，得以同时操控通过的光的相位和偏振。光是一种电磁场，单色光（即单一颜色的光）的电磁场在空间各点以相同频率振荡，但相对延迟（即相位）各不相同。
操控这种相对延迟，即相位，会影响光线的弯曲程度，进而影响图像是否清晰聚焦。
偏振指的是电磁场在空间各点振荡的轨迹。操控光的偏振对先进显微镜、相机和显示器的运行至关重要；偏振控制还使3D眼镜和偏光太阳镜等简单装置得以实现。
“利用我们的超表面，我们可以完全控制光的偏振和相位，”论文第一作者、加州理工学院高级研究员 Amir Arbabi 表示。“我们可以任意塑造入射光的相位和偏振分布，而且效率非常高。”
虽然可以通过组合使用多个传统光学元件（如玻璃透镜、棱镜、空间光调制器、偏振片和波片）实现相同目标，但这些众多组件会使系统体积大得多。“如果你想想现代显微镜，它内部有多个必须精心组装的组件，”Faraon 说。“但借助我们的平台，我们实际上可以非常轻松地制造出每个光学组件，并通过自动化工艺将它们逐层堆叠。每个组件仅百万分之一米厚，即不到人类头发厚度的百分之一。”
除了体积紧凑之外，超表面器件还能以新颖的方式操控光，而这是当前装置难以甚至无法做到的。例如，加州理工学院团队展示了其中一种超表面：当被水平偏振光束照射时，它投射出一幅图像；当被垂直偏振光束照射时，则投射出另一幅图像。“在45度偏振光照射下，这两幅图像会重叠显示，”Faraon 说。
在另一项实验中，团队利用超表面产生了径向偏振光束，即偏振方向指向光束轴线的光束。此类光束具有甜甜圈状的强度分布，可应用于超分辨率显微镜、激光切割和粒子加速等领域。“使用传统仪器产生这种效果，通常需要由多个组件构成的大型光学装置，”Arbabi 说。“而借助我们的装置，我们可以将所有光学组件集成到一个器件中，并以更高的效率和纯度生成这些光束。”
该团队目前正与工业合作伙伴合作，研发可用于微型相机和光谱仪等商用设备的超表面，不过已有少量超表面被制造出来，供其他学科的合作科学家用于光学实验。
此外，Faraon 实验室目前正在研究如何组合不同的超表面以构建功能性光学系统，并校正色彩失真及其他光学像差。“与任何光学系统一样，都会出现失真，”Faraon 表示。“这就是为什么昂贵的相机内部会有多个镜片。目前，我们正在试验堆叠不同的超表面，以校正这些像差并实现新颖的功能。”
该论文题为 “用于以亚波长空间分辨率和高透射率全面控制相位与偏振的介电超表面。” 除Faraon和Arbabi外，加州理工学院的其他合著者还包括研究生 Yu Horie，以及喷气推进实验室（JPL）微器件工程师 Mahmood Bagheri。该研究获得加州理工学院/JPL校长与主任基金以及美国国防高级研究计划局的支持。Yu Horie获得美国能源部能源前沿研究中心项目及日本学生服务机构奖学金的资助。器件纳米加工在加州理工学院Kavli纳米科学研究所完成。
本文系与 加州理工学院合作发布。发布本文并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Ker Than 为加州理工学院撰稿。
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