日本理化学研究所(RIKEN)开发出超薄变焦透镜

日本理化学研究所光量子光学研究中心光子操作功能研究组的田中拓男领导的国际共同研究小组开发出了一种利用光的偏振控制焦距的透镜。本研究成果有望对超小型数码相机、光学显微镜、光学传感器等小型高性能光学仪器的开发做出贡献。

此次,国际共同研究小组成功开发出只要改变入射光的偏振方向,就能改变焦距的透镜。透镜是由比光的波长还要细小的纳米级人工构造构成的透镜,厚度只有750纳米的极薄透镜。他们将构成该透镜的纳米结构设计成只对特定光的偏振作出响应,通过改变光的偏振方向,成功地实现了透镜的焦距的自由变化。

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可以根据光的偏振方向控制焦距的超薄透镜

到目前为止,能够改变焦距的镜头主要是由多枚镜片组成光学系统,通过机械改变镜片之间的距离来确定有效焦距。随着光学系统的复杂化和大型化,有这样的课题。国际共同研究小组利用只对特定光的偏振做出响应的纳米结构,开发出了只要改变光的偏振就能改变焦距的新型焦距可变透镜。

研究方法及结果

在该可变焦距透镜中,具有仅对具有特定方向偏振的光作偏振响应的各向异性特性的纳米结构。该纳米结构由长方体的氮化镓(GaN)构成,如果宽度(W)和深度(L)等尺寸发生变化,就可以改变光波照射时赋予光波的相位(图1a)。此外,通过在特定方位排列W和L不同的非对称结构,可以仅对某一方向的偏振施加相位偏差。

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图1 可变焦距超薄透镜结构
(A)构成超薄透镜的基本元素的纳米结构。它由蓝宝石(Al 2 O 3 )衬底和形成在衬底表面上的长方体氮化镓(GaN)组成。
(B)偏振角 θ = 0°(x 偏振)入射时的聚焦光斑和焦距 fx。
(C)入射偏振角0°<θ<90°时的聚焦光斑。
(D)偏振角θ=90°(y偏振光)入射时的会聚光斑和焦距fy。

因此,我们设计了一种不具有透镜功能的超薄透镜,它对 x 方向的偏振光赋予类似于透镜形状的相移,并对 y 方向的偏振光赋予随机相移,y 方向垂直于(图2a)。超薄透镜的最大特点是它可以提供这种特殊的光学特性,这是用抛光玻璃或其他材料制成的传统透镜无法实现的。当用 x 偏振光照射该超透镜时,由于透镜内的相移,光会聚焦在焦距 fx 处。另一方面,即使用 y 偏振光照射,光也不会聚焦并按原样透过(图 2c)。构成这种超透镜的一组纳米结构称为 A 组。另一方面,纳米结构也可以设计为充当具有随机相移的 x 偏振光和 y 偏振光的焦距 fy 的透镜(图 2b,d)。构成这种超薄透镜的一组纳米结构称为 GroupB。

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图2 可变焦距超薄透镜的相位特性和产生的光斑的强度分布
(A)超透镜向 x 偏振光(蓝色)添加类似于凸透镜的相移并将其聚焦,但 y 偏振光(红色)具有随机相移并且未聚焦。 (B)与(a)相反,x偏振光(蓝色)被赋予随机相移,y偏振光(红色)被赋予类似于凸透镜的相移,并且光被聚焦。
(C)(a) 中由超透镜产生的聚焦光斑。x 偏振光聚焦在焦距 fx 处。
(D)(b) 中由超透镜产生的聚焦光斑。y 偏振光聚焦在焦距 fy 处。

我们将设计一种超薄透镜,将 A 组和 B 组这两种纳米结构集成在单个基底表面上,以便它们不会相互影响。然后,当x偏振光入射到该超透镜时,光将聚焦在焦距fx的位置处,而当y偏振光入射时,光将聚焦在焦距fy的位置处。当斜向偏振光入射时,偏振光成分被分离为x方向和y方向,x方向的偏振光成分置于fx位置,y方向的偏振光成分置于fx位置。 fy 位置。将会形成一个点。总光强分布是两个光点的强度之和。此时,预先设置fx和fy值,使相加后的光强分布中不出现原来两个光斑的峰值,即距离使得两个峰值之间不出现凹陷。当您设计时,添加的光点将是 fx 和 fy 之间只有一个峰值的光点。当偏振方向从x方向旋转到y方向时,光斑位置也从fx连续变化到fy(图3)。

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图3 可变焦距原理
两个光点叠加在一起形成一个光点。
(a)偏振角为30°时聚焦光斑的强度分布。
(b)偏振角为45°时聚焦光斑的强度分布。
在任一情况下,如果设计使得x偏振光和y偏振光的两个聚焦点之间不存在凹陷,则将形成单个聚焦点(黑色实线)。

实验中,在蓝宝石(Al 2 O 3 )衬底表面形成750 nm厚的氮化镓(GaN)层,并使用电子束光刻和反应离子刻蚀去除GaN层,制作了两种数值孔径分别为0.1和0.01的超透镜(图4)。

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图4 可变焦距超薄透镜原型结构
(A)超透镜的电子显微照片。左下是光学显微照片。
(B)超透镜的放大电子显微照片。A组的结构呈粉红色,B组的结构呈蓝色。

图5显示了原型可变焦距超透镜光学特性的测量结果。图5a显示了当光的偏振方向改变时光斑的形状和位置如何变化。此外,图5c显示了偏振方向为x方向(θ = 0°)、y方向(θ = 90°)以及它们之间的对角线方向(θ)三种情况下测量的光斑强度分布。图5a中的曲线图显示,随着偏振方向从x方向(θ=0°)向y方向(θ=90°)变化,光斑位置从24.5mm变化到28.6mm,变化了4.1mm,如下光斑的大小也没有明显变化。图5b根据图5a的结果绘制了偏振方向与光斑强度峰值位置(对应焦距)之间的关系。红色所示的实验结果表明焦点位置(焦距)随着偏振方向的变化几乎呈线性变化。图5b中的蓝线是理论计算确定的光斑位置。比较这两张图,我们发现原型超透镜的光斑位置几乎与理论计算结果相符。

我们还确认,即使改变焦距,光斑形状也始终是圆形的并且不会塌陷。原型可变焦距超薄透镜的结构是基于波长为532 nm的绿光设计的,但我们也证实它对于从红色到紫色不同波长的光都可以起到可变焦距超薄透镜的作用。

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图5 原型可变焦距超薄透镜的光学特性
(A)当光的偏振方向改变时产生的光斑的强度分布。
(B)偏振方向与光斑位置(相当于焦距)的关系。红线是实验结果,蓝线是理论计算值。
(C)偏振角为 0°、45° 和 90° 时生成的光斑的强度分布。

未来的期望

通过这项研究,我们创造了一种紧凑、超薄的镜头,可以快速改变焦点位置和变焦比。此类镜头可应用于广泛的领域,包括智能手机摄像头、增强现实显示器、显微镜以及双筒望远镜和内窥镜等医疗光学设备。结合超薄透镜设计的灵活性,可以通过设计人工结构的形状来控制光学功能,预计将实现根据特定应用的要求精确定制的高性能光学器件。

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