光芯片3d成像（韩国科学家开发出超薄平面石墨烯超级镜头）

导读

韩国和英国科学家一起开发出具有可调功能的、信用卡般厚度的平面镜头。这些光学设备由石墨烯和穿孔的金表面组成。它将变成某些高级应用的光学组件，例如振幅可调的镜头 、激光器（例如：涡旋相位板）、动态全息照相。

关键字

石墨烯、太赫兹、超颖材料

背景

超颖材料，是指一类通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的材料。由“超颖材料”构成的薄层，就成了超颖表面，它对光线的控制效果是前所未有的。

（图片来源：维基百科）

超颖表面材料是一种新型的二维材料，它可以有效地控制光线以及其他电磁波的电气和磁场成分，将它们弯曲至预定方向。控制光束的方向将带来一种有趣的现象：最令人难以置信的“隐形斗篷效果”，光波会绕过物体，重新创建出物体之外的图像，就像流水绕过石头一样。

2015年，美国伯克利实验室的研究人员也利用过超颖表面材料，研发出了一款隐身斗篷，这款隐形斗篷可以散射可见光、红外线和X射线，它与隐藏目标物体产生交互，使其无法被观看到。

（图片来源：伯克利实验室）

除此之外，笔者还介绍过超颖材料的其他用途，例如：全息技术、太阳能电池、计算机、通信、传感器、显微镜、微电子设备、太赫兹技术等方面。

创新

今天，我要介绍有关超颖表面材料的另外一项重要的创新成果。为了追求镜头的小型化，韩国基础科学研究所（IBS）集成纳米结构物理中心的科学家们与英国伯明翰大学、韩国科学技术院（KAIST）的科学家们一起开发出具有可调功能的、信用卡般厚度的平面镜头。这些光学设备由石墨烯和穿孔的金表面组成，将变成某些高级应用的光学组件，例如振幅可调的镜头 、激光器（例如：涡旋相位板）、动态全息照相。

（图片来源：参考资料【2】）

这项研究发表在《先进光学材料》杂志，展示了超颖材料表面作为凸透镜的特性。

技术

组成该镜头的金片具有嵌入式的微米级U型洞，并覆盖有石墨烯。普通凸透镜的形状可以将光线聚焦于一点，就像放大镜可以聚焦光线甚至引起燃烧一样。小光圈超级镜头的特殊图案可以通过聚焦入射光线来实现。

（图片来源：参考资料【2】）

此外，这些微孔也可以改变光线的偏振。自然光线在被反射之前，发生普遍的非偏振化，而团队使用圆偏振波，也就是一种电场方向螺旋上升的光线。这种超级镜头可以将左圆偏振波（从前面看呈逆时针）转化为右圆偏振（顺时针）。研究人员想要达到的转化率为35%。转化圆偏振可以用于一系列领域，例如生物感知和通信。

（图片来源：参考资料【2】）

为了控制更多的特性，科学家们利用了石墨烯独特的电子特征，使用它们调谐输出光线的强度和振幅。石墨烯起到了摄像头曝光的作用。对于摄像头来说，可以机械地控制特定快门的打开时间和尺寸，决定进入设备的光线量。然而，这些超级镜头通过施加于石墨烯片的电压来控制曝光，无需其他笨重的组件。当电压施加于石墨烯层后，输出光束变得更弱。

价值

论文的第一作者、科学家 Teun-Teun Kim 表示：

“使用超级镜头，你可以让显微镜、摄像头、高灵敏度光学测量工具都变得更加小型化。”

“传统的光学镜头厚度从几厘米到几毫米，而这种超级镜头只有几毫米的厚度。聚焦的光线强度可以被有效地控制，它也可以应用于超小的光学设备。”

这些超级镜头还可用于设计一种电磁波，它位于红外辐射和微波辐射之间，称为太赫兹波。这种类型的辐射可以穿过一些材料（例如织物和塑料），但是在比微波辐射波长更短，因此它可用于监测和安全筛查。

参考资料

【1】https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=15170

【2】Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Amplitude Modulation of Anomalously Refracted Terahertz Waves with Gated-Graphene Metasurfaces. Advanced Optical Materials, 2017; 1700507 DOI: 10.1002/adom.201700507

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