使用单层过渡金属的超薄平面高分辨率成像透镜

单层TMDC材料的平面透镜激光加工

飞秒激光制备单层TMDC透镜的原理图。插图:(i)单层TMDC单晶的AFM图像,(ii)飞秒激光诱导产生MOx纳米粒子的示意图。作者:林晗,徐在权,曹桂元,张玉鹏,周家栋,王子玉,万志晨,刘铮,罗健平,邱成伟,鲍巧亮,贾宝华

镜片是日常生活中最常用的光学组件之一,包括眼镜,微观物镜,放大镜和相机镜头。常规镜片基于光折射的原理,使用不同的材料,球形表面和空间位置来实现光的控制。常规镜片的制造,包括材料选择,切割,粗磨,细磨,抛光和测试的过程。为了最小化包括色差,球形像差和散光的像差,需要堆叠多层透镜以形成复合透镜,导致当前相机设备的复杂性和麻烦。

因此,人们在超薄平板透镜的研制上投入了巨大的精力。与传统透镜不同,平板透镜使用纳米结构来调节光线。通过控制每个纳米元件的光学特性和空间位置,可以实现消色差、无像差聚焦、高空间分辨率和特殊聚焦强度分布等高级功能。然而,当材料厚度减小到亚波长尺度时,基于材料固有折射率和吸收的相位或振幅调制不足,导致透镜性能较差。

在一篇发表于光科学与应用这是一支由Baohua Jia教授领导的科学家团队,由澳大利亚澳大利亚,澳大利亚Qiaoliang Bao教授,以前在蒙纳士大学,新加坡国立大学和同事的郑伟邱教授开发了一个通过使用飞秒激光到图案纳米颗粒,通过使用飞秒激光制造单层二维过渡金属二甲胺化物(TMDC)材料中的高性能透镜的创新方法。镜头具有亚波长分辨率和31%的聚焦效率,为最终薄的光学装置铺设了用于纳米光学和片上光子应用的基础。

尽管之前已经演示了由多层TMDCS制成的镜片,但是当它们的厚度降低到亚纳米级,它们的相位或幅度调节不足导致聚焦效率小于1%。国际团队发现,通过使用飞秒激光束可以与单层TMDC材料相互作用,从而可以产生纳米颗粒,这与连续波激光器产生的过程显着不同。当激光脉冲如此短的情况下,当激光过程后整个材料保持冷时,纳米颗粒可以牢固地连接到基板上。纳米粒子显示出非常强的散射以调节光的幅度。因此,由纳米颗粒制成的透镜可以提供亚波长分辨率和高效率,这允许团队通过使用透镜来展示衍射限制的成像。

单层是最薄的材料形式,这是最终的物理厚度限制。通过使用单层制造的单层,本研究中所示的过程消耗了满足理论限制的最低材料。更重要的是,飞秒激光制造技术是一步简单的过程,无需高真空或特殊环境的要求,因此为制造超薄扁平透镜提供了最简单的方法。结果,透镜可以容易地集成到任何光子或微流体装置中,用于广泛的应用。

“我们使用世界上最薄的材料制作了一个平板透镜,并证明了超薄透镜的良好性能可以导致高分辨率成像。它在眼镜、显微镜镜头、望远镜和照相机镜头等不同的应用领域显示出巨大的潜力。可以预见,通过使用这种技术,在不久的将来,相机镜头的重量和尺寸将大大减少。”斯威本理工大学转化原子材料中心的第一作者韩林博士说。

“我们很高兴看到飞秒激光处理二维材料的独特结果。这为利用可扩展方法制造光子器件提供了新的可能性。”由转化原子材料中心主任贾宝华教授补充。

“我们可以将单层二维材料透镜集成到所需的设备上,只需将材料附着在一起,然后使用飞秒激光进行制造。整个过程简单,方法灵活,成本低。因此,我们也看到了该方法的巨大应用潜力。”原莫纳什大学鲍巧良教授评论。

“我们设计透镜的方式是,图像可以在不同的焦平面,不同的放大率。这种机制可以很容易地用于开发所有手机相机都需要的光学变焦镜头。目前使用不同焦距的镜头来实现不同的变焦功能。然而,我们的镜头可以通过一种设计实现不同的变焦率。”新加坡国立大学邱成伟教授预测。

参考文献:“基于单层二维材料的超薄平板透镜的衍射限制成像”,林晗,徐zaiquan,曹桂元,张玉鹏,Jiadong Zhou, Ziyu Wang, Zhichen Wan, Zheng Liu, Kian Ping Loh, Cheng-Wei Qiu, qioliang and Baohua Jia, 2020年8月11日,光:科学与应用
DOI:10.1038 / S41377-020-00374-9

2的评论关于“单层过渡金属超薄平板高分辨率成像”的研究

  1. 凉爽的…

  2. 所以我们在思考之前有多远,因为你可以为高近视的人制作薄镜头眼镜?我目前陷入了半英寸厚的“高索引”眼镜,可直观地缩小我的眼睛,并将支付幸运在眼镜中看起来正常。

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