近日，美國哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣稱研發(fā)出“超材料鏡片”(metamateriallens)，厚度是傳統(tǒng)玻璃鏡片的十萬分之一，幾乎沒有重量。要是能夠廣泛運(yùn)用，未來的智能機(jī)、相機(jī)都會(huì)變得超級(jí)輕薄。未來的智能機(jī)鏡頭不只可能不再突出于機(jī)身之外，還會(huì)小到看不到。
傳統(tǒng)玻璃鏡片為弧形，借此把光線聚焦到相機(jī)感光元件上，鏡頭越貴、影像越好。由于制作過程需要精準(zhǔn)研磨、拋光，不能有絲毫誤差，價(jià)格居高不下。相機(jī)內(nèi)部塞滿厚厚鏡片，因此也讓高檔相機(jī)極為笨重，沉重不堪。
哈佛研發(fā)出的超材料鏡片不使用玻璃，改在透明石英上放滿柱狀的氧化鈦，高度僅有600奈米，被稱為全球“最迷你的巨石陣”。這些氧化鈦以特殊方式排列，雖然是平面，卻能像弧形的玻璃鏡片一樣聚焦光線，而且比頭發(fā)更細(xì)、跟空氣一樣輕。哈佛團(tuán)隊(duì)測試發(fā)現(xiàn)，超材料鏡片的影像比55毫米的顯微鏡更銳利，厚度卻只有傳統(tǒng)鏡片的十萬分之一。
不僅如此，哈佛新鏡片的制造成本將相當(dāng)?shù)土皇褂枚趸?。氧化鈦并非罕見原料，其?shí)就是畫畫用的白漆，而且這種鏡片能像晶圓一樣大量生產(chǎn)。哈佛應(yīng)用物理暨電機(jī)教授FedericoCapasso表示，此一技術(shù)是潛在的革命性創(chuàng)舉，適用于所有可見光，能取代各種鏡片，如顯微鏡、相機(jī)、顯示器、智能機(jī)等。超材料鏡片成本只要傳統(tǒng)鏡片的一小部分，未來有望大規(guī)模生產(chǎn)，以生產(chǎn)晶圓的方式量產(chǎn)。
這也表示，技術(shù)成熟之后，數(shù)位單眼相機(jī)(DSLR)鏡頭將可塞入智能機(jī)里，智能機(jī)照片功能將更為出色
超材料的工作原理：納米材料與光子的游戲
超材料（metamaterial）一直是光子晶體研究里面最尖端的項(xiàng)目之一，而說起超材料，可能最容易想到的是兩張圖，一張就是排列的異常美觀規(guī)整的納米結(jié)構(gòu)，而另一張則是超材料里的一張著名的假想圖——向“錯(cuò)誤”的地方彎曲的筷子，即負(fù)折射率材料。
高度規(guī)整的納米結(jié)構(gòu)
以上這些雖然看起來酷炫無比，但是貌似我們還無法看出超材料能搞出什么“超”應(yīng)用來，一篇?jiǎng)倓傇凇犊茖W(xué)》雜志發(fā)表的論文向大家證明了，超應(yīng)用離開我們已經(jīng)只有一步之遙。
一個(gè)來自哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最近利用高度約為600納米的二氧化鈦“納米磚”塊堆出了一塊完全平面，并且纖薄如紙的聚光鏡片。這塊超材料鏡片的有效放大倍數(shù)高達(dá)170倍，并且放大后的圖像分辨率能完全媲美常規(guī)的玻璃透鏡。
約600納米高的二氧化鈦納米磚塊
放大一些來看的話，這些磚塊的排列方向并不相同。
超材料的本質(zhì)就在于這些尺寸小于光的波長的納米結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以借由不同的形狀、大小、排列和光子愉快得玩耍，把它們或阻斷、或吸收、或增強(qiáng)、或折射。這一次，科學(xué)家們就通過這些納米磚頭的不同排列，成功將通過的光“聚焦”。
普通玻璃聚光鏡示意圖
二氧化鈦是可距光波優(yōu)秀的超材料
既然前景這么美好，那么為什么超材料到現(xiàn)在還沒有廣泛應(yīng)用于光學(xué)鏡片領(lǐng)域呢？主要原因也是超材料鏡片和玻璃鏡片最大的區(qū)別就是，超材料非常挑光的“波長”，換句話說紅光比較好使的鏡片就無法將綠光聚焦；反之亦然，同時(shí)要找到可用于我們?nèi)庋勰芸匆姷目梢姽夥秶牟牧掀鋵?shí)也費(fèi)了一番周折，最終選定了二氧化鈦。早期的超材料主要都是硅基的表面等離子材料，因此超材料鏡片可能目前只能適用于使用激光這樣波長單一的電磁波的儀器中。如果有一天，復(fù)合波長這個(gè)難題被攻克，我們的所有光學(xué)儀器都將發(fā)生顛覆性的改變，讓我們拭目以待吧！
下一個(gè)難題就是同時(shí)聚焦多波長的光。
一旦成功，光學(xué)鏡片的尺寸將會(huì)大幅減小，成本將大幅下降，我們對(duì)目前大多數(shù)光學(xué)設(shè)備的認(rèn)知也會(huì)發(fā)生顛覆性的改變。
