揭秘|从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！( 二 ) 表面|光学|揭秘|透镜|变革|镜头

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图源：Columbia University
500多年来，人类已经掌握了将玻璃做成透镜使光线发生折射，然后弯曲或组合这些透镜，使近距离和远距离图像放大以及变清晰的光学成像技术。然而在过去近十年的时间内，哈佛大学的科学家Federico Capasso【拓展链接】开创了平面光学研究领域，并在2014年首先发表了关于超构透镜的研究。
紧接着，Capasso在2016带领研究团队提出了超构透镜技术，这种表面覆盖纳米柱的新型透镜的厚度能够做到比普通镜片薄10万倍，并且拥有易生产、成本低等优势。
研究团队通过设计平面光学超构表面来取代传统透镜，并利用数百万个细微的、薄而透明的石英柱阵列来衍射和塑造光线的流动。这与玻璃透镜的方式大致相同，但却不像玻璃那样与生俱来地受"像差"的制约。
超构透镜使用纳米结构聚焦光的平坦表面，通过用简单，平坦的表面来取代目前在光学器件中广泛使用的庞大的弯曲透镜实现光学革命。该技术在被评为2016年Science的最佳发现之一。
这项技术先后在2019年被世界经济论坛（WEF）、科学美国人（SciAm）评为十大新兴技术之一。
它表明这些越来越小、越来越清晰的透镜很快就会出现在照相手机、传感器、光纤线路以及诸如内窥镜之类的医学成像设备中。世界经济论坛如此评价：“使手机、计算机以及其他电子设备使用的镜头变小，已超出了传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术的能力……这些细微、薄而扁平的透镜可以代替现有的笨重的玻璃透镜，并可以使传感器和医学成像设备进一步小型化。”

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图源：SCHOTT
接下来，让我们一起走进Capasso研究团队从超构表面到革新传统透镜的研究历程吧！
2011年 | 超构表面引领超材料研究新征程
2011年Capasso研究团队首次开创了一个全新的二维超构材料metamaterials——超构表面方向。超构材料是一类具有改变光等电磁波传播性质而传统材料无法实现的特殊性质的人造材料。以往关于超构材料的研究均专注于三维超构材料的研究，然而三维超构材料结构复杂、只调控体参数的缺点在后续研究中越发暴露不能适应现有工艺相结合的功能应用。
研究团队从率先提出的突变相位（abrupt phase shift）概念出发，推导得到了广义折反射定律（Generalized Laws of Reflectionand Refraction），打破了传统几何光学规律——斯涅尔定律，推动了人工超构材料向二维化方向发展，从而与现有的半导体工艺相兼容。
该工作奠基了超构表面一种重要的唯象模型——相位梯度与广义折反射模型，该研究提出的等离激元（plasmonic）结构——V型天线（V-antennas）用于相位调控开创了相位梯度型超构表面的研究热点。超构表面的提出真正意义上克服了以往三维超构材料的局限性，从此引领了超构表面研究的新征程。