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哈佛大学联合阿尔贡国家实验室研发出基于MEMS芯片的超级透镜

导读: 目前,透镜技术在各个领域都获得了长足的发展,从数码相机到高带宽光纤,再到激光干涉仪引力波天文台 LIGO的仪器设备等。现在,利用标准的计算机芯片制造技术开发出了一种新的透镜技术,或将替代传统曲面透镜复杂的多层结构和几何结构。

哈佛大学联合阿尔贡国家实验室开发出基于MEMS芯片的超级透镜

集成在MEMS扫描器上的基于超表面技术的平面透镜(超级透镜),左图为扫描电镜图片,右图为光学显微成像图片。在MEMS器件上集成超级透镜,将有助于整合高速动态控制和精确波阵面空间控制优势,打造光控制新模型

目前,透镜技术在各个领域都获得了长足的发展,从数码相机到高带宽光纤,再到激光干涉仪引力波天文台 LIGO的仪器设备等。现在,利用标准的计算机芯片制造技术开发出了一种新的透镜技术,或将替代传统曲面透镜复杂的多层结构和几何结构。

与传统曲面透镜不同,基于超表面光学纳米材料的平面透镜相对更轻。当超表面亚波长纳米结构形成某种重复图纹时,它们便可以模仿能够折射光线的复杂曲度,但是体积更小,聚光能力更强,同时还能减少失真。不过,大部分这种纳米结构器件都是静态的,功能性有限。

据麦姆斯咨询报道,超级透镜技术开拓者——美国哈佛大学应用物理学家Federico Capasso,和MEMS技术早期开发者——美国阿尔贡国家实验室纳米制造和器件小组负责人Daniel Lopez,他们俩来了一番头脑风暴,为超级透镜增加了运动控制能力,例如快速扫描和光束控制能力,或将开辟超级透镜新应用。

Capasso和Lopez联手开发了一款器件,在MEMS上集成了中红外光谱超级透镜。他们将该研究成果发表在了本周的《APL Photonics》期刊上。

MEMS是一种结合微电子和微机械的半导体技术,在计算机和智能手机中可以找到,包括传感器、执行器和微齿轮等机械微结构。MEMS现在几乎无处不在,从智能手机到汽车安全气囊、生物传感器件以及光学器件等,MEMS可以借助典型计算机芯片中的半导体技术完成制造。

Lopez说:“在一个硅芯片上高密度集成数千个独立控制的MEMS透镜器件,可以实现光学领域前所未有的光控制和操作。”

研究人员在一块SOI绝缘体上硅(2微米顶部器件层、200纳米掩埋氧化层以及600微米衬底层)上,采用标准光刻技术制造了这款超表面透镜。然后,他们将这款平面透镜与一个MEMS扫描器(本质上是一个偏转光线用于高速光路长度调制的微镜)的中心平台对齐,通过沉积微小铂片将它们固定在一起,最终将该平面透镜装配在MEMS扫描器上。

“我们这款集成超表面透镜的MEMS原型器件,可以通过电控制改变平面透镜的旋转角度,在几度范围内进行焦点扫描,” Lopez介绍说,“此外,这款集成超表面平面透镜的MEMS扫描器概念验证产品,还可以扩展至可见光及其它光谱范围,开拓更广泛的潜在应用,例如基于MEMS的显微系统、全息和投影成像、LiDAR(激光雷达)扫描器和激光打印等。”

在静电驱动情况下,其MEMS平台可控制两个正交轴方向的透镜运动角度,使平面透镜在每个方向约9度范围内进行焦点扫描。 研究人员估计,其聚焦效率约为85%。

“这种超级透镜在未来可以利用半导体技术实现大规模量产,或将在广泛的应用领域替代传统型透镜,”Capasso补充说。

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