近日，美國(guó)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(wàn)分之一，幾乎沒(méi)有重量。要是能夠廣泛運(yùn)用，未來(lái)的智能機(jī)、相機(jī)都會(huì)變得超級(jí)輕薄。未來(lái)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(guò)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(cè)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(wàn)分之一。
不僅如此，哈佛新鏡片的制造成本將相當(dāng)?shù)土?，只使用二氧化鈦。氧化鈦并非罕?jiàn)原料，其實(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(jiàn)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(lái)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(shuō)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(lái)酷炫無(wú)比，但是貌似我們還無(wú)法看出超材料能搞出什么“超”應(yīng)用來(lái)，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(kāi)我們已經(jīng)只有一步之遙。
一個(gè)來(lái)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(lái)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(zhǎng)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(guò)這些納米磚頭的不同排列，成功將通過(guò)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(méi)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(zhǎng)”，換句話說(shuō)紅光比較好使的鏡片就無(wú)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?jiàn)的可見(jiàn)光范圍的材料其實(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(zhǎng)單一的電磁波的儀器中。如果有一天，復(fù)合波長(zhǎng)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(zhǎng)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。
