使用单层过渡金属进行高分辨率成像的超薄平板透镜

飞秒激光制造单层TMDC透镜的示意图。插图：（i）单层TMDC单晶的AFM图像，以及（ii）飞秒激光诱导的MOx纳米粒子生成示意图。

镜头是日常生活中最常用的光学组件之一，包括眼镜，显微物镜，放大镜和相机镜头。常规的镜片基于光的折射原理，使用不同的材料，球形表面和空间位置来实现对光的控制。传统镜片的制造包括材料选择，切割，粗磨，精磨，抛光和测试的过程。为了使包括色差，球面像差和像散的像差最小化，必须堆叠多层透镜以形成复合透镜，这导致当前相机设备的复杂性和繁琐性。

因此，已经致力于开发超薄型平板透镜。与常规透镜不同，平面透镜使用纳米结构来调制光。通过控制每个纳米元件的光学特性和空间位置，可以实现高级功能，例如消色差和无像差聚焦，高空间分辨率和特殊的聚焦强度分布。然而，当材料厚度减小到亚波长尺度时，基于材料的固有折射率和吸收的不足的相位或幅度调制导致较差的透镜性能。

在《光科学与应用》上发表的一篇新论文中，一组科学家团队由澳大利亚斯威本科技大学转化原子材料中心的贾保华教授，原莫纳什大学的鲍巧良教授，美国国立大学的邱成伟教授领导。新加坡大学及其同事已经开发出一种创新的方法，可以通过使用飞秒激光对纳米颗粒进行图案化，从而在单层二维过渡金属二卤化金属（TMDC）材料中制造高性能镜片。该透镜具有亚波长分辨率，聚焦效率达31％，为最终用于纳米光学和片上光子应用的薄型光学设备奠定了基础。

尽管以前已经证明了由多层TMDC制成的透镜，但是当其厚度减小到亚纳米级时，它们不足的相位或幅度调制会导致聚焦效率低于1％。国际团队发现，可以通过使用飞秒激光束与单层TMDC材料相互作用来生成纳米颗粒，这与连续波激光器产生的过程明显不同。当激光脉冲太短以至于整个材料在激光处理后仍保持冷态时，纳米颗粒可以牢固地附着在基材上。纳米颗粒显示出很强的散射，以调节光的振幅。因此，由纳米粒子制成的透镜可以提供亚波长分辨率和高效率，这使得该团队可以通过使用透镜演示衍射受限的成像。

单层是材料的最薄形式，这是最终的物理厚度限制。通过使用单层透镜制造，本研究中证明的工艺消耗的材料最少，达到了理论极限。更重要的是，飞秒激光制造技术是一个一步的简单过程，不需要高真空或特殊环境，因此它提供了制造超薄平面透镜的最简单方法。结果，该透镜可以很容易地集成到任何光子或微流体装置中，以实现广泛的应用。

“我们使用了世界上最薄的材料来制造平面透镜，并证明了超薄透镜的良好性能可以带来高分辨率成像。它在眼镜，显微镜镜头，望远镜和相机镜头等不同应用中显示出巨大的潜力。可以预见，通过使用这种技术，可以在不久的将来显着减小相机镜头的重量和尺寸。”斯威本科技大学转化原子材料中心的第一作者韩霖博士说。

“我们很高兴看到飞秒激光加工2D材料的独特结果。它为使用可扩展方法制造光子器件开辟了新的可能性。”由转换原子材料中心主任贾保华教授添加。

“我们可以通过简单地附着材料，然后使用飞秒激光执行制造，将单层2D材料透镜集成到所需的设备上。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。”曾由莫纳什大学（Monash University）的鲍巧良教授评论。

“我们设计镜头的方式是，可以在不同的焦平面上以不同的放大倍率找到图像。这种机制可以很容易地用于开发所有手机相机所需的光学变焦镜头。当前，具有不同焦距的镜头用于实现不同的变焦功能。但是，我们的镜头只需一种设计就可以实现不同的变焦率。”新加坡国立大学的邱成伟教授对此进行了预测。

参考：“基于单层2D材料的超薄平板透镜的衍射极限成像”，作者：韩瀚，徐在全，曹桂元，张玉鹏，周家栋，王自宇，万智晨，刘正，卢建平，邱承伟，鲍巧良和贾宝华，2020年8月11日，灯光：科学与应用.DOI：
10.1038 / s41377-020-00374-9