美研究人員將超表面安裝在2D掃描器等靜電驅(qū)動(dòng)MEMS平臺(tái)

導(dǎo)讀：?這種概念驗(yàn)證的MEMS上超透鏡（metalens-on-a-MEMS）集成可擴(kuò)展到電磁波譜的可見光部分和其他頻譜部分，用于包括基于MEMS的顯微鏡系統(tǒng)、全息和投影成像、激光雷達(dá)掃描或激光打印在內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）和哈佛大學(xué)（Harvard University）的研究人員在《APL Photonics》期刊發(fā)表了題為“Dynamic metasurface lens based on MEMS technology”的論文，論文詳細(xì)闡述了研究人員通過將定制設(shè)計(jì)的超表面轉(zhuǎn)移到2D掃描MEMS平臺(tái)上，從而創(chuàng)造出極薄的可重構(gòu)透鏡的操作過程。

人造的亞波長(zhǎng)金屬和/或介電模式使得超表面具有特殊的光學(xué)性質(zhì)，該性質(zhì)可通過在2D平面上排布納米光學(xué)元件來進(jìn)行調(diào)諧，從而模擬常規(guī)體光學(xué)透鏡的相位分布。

在該論文中，研究人員指出雖然超表面研究并不是新技術(shù)，但它們往往是靜態(tài)的。因此，將超表面安裝在如2D掃描器等靜電驅(qū)動(dòng)MEMS平臺(tái)會(huì)上開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，目前這些領(lǐng)域往往正在使用較重的傳統(tǒng)透鏡。

圖為本研究制造透鏡的掃描電子顯微鏡圖像，顯示了盤狀的超表面晶胞（metasurface unit cells）

研究人員開始設(shè)計(jì)了一種等離子體透鏡，就像圓柱形透鏡一樣，當(dāng)被單色中紅外光照射（約4.6 μm波長(zhǎng)）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)線聚焦。這里的偏振獨(dú)立設(shè)計(jì)晶胞（unit cells）由盤狀的50nm厚的黃金諧振器組成，它們生長(zhǎng)在200nm厚的金薄膜頂部400nm厚的二氧化硅層上。由于改變超材料上圓盤的半徑，會(huì)改變反射光線的相位，研究人員得以通過在平面透鏡上精心選擇的亞波長(zhǎng)直徑的空間分布來創(chuàng)建雙曲線相位分布。用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)在絕緣體上硅（SOI）晶圓上制造的0.8 x 0.8 mm超透鏡，能夠以5 mm的焦距將入射光以θ = 45°角聚焦到透鏡表面。

接著，研究人員為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光控制，將超透鏡剝離并將其轉(zhuǎn)移到2D MEMS掃描器上，這種掃描器能夠控制透鏡沿著兩個(gè)正交軸在± 9°間動(dòng)態(tài)掃描。這是一個(gè)可以用來補(bǔ)償離軸入射光，從而修正慧差（comatic aberrations）的應(yīng)用。

文章指出，對(duì)于低角度位移，集成MEMS上透鏡系統(tǒng)（lens-on-MEMS system）并不影響MEMS執(zhí)行器的機(jī)械性能，并可保持聚焦束分布和所測(cè)量的半高全寬（FWHM）。

研究人員指出，這種概念驗(yàn)證的MEMS上超透鏡（metalens-on-a-MEMS）集成可擴(kuò)展到電磁波譜的可見光部分和其他頻譜部分，用于包括基于MEMS的顯微鏡系統(tǒng)、全息和投影成像、激光雷達(dá)掃描或激光打印在內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

圖為在MEMS掃描器上集成圓形的基于超表面的平面透鏡，可實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)控制和精確的波前空間處理（圖片來源：美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室）

但研究人員也設(shè)想，通過將這樣成千上萬的超透鏡集成到大型動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的MEMS微鏡上，同時(shí)對(duì)每個(gè)超透鏡進(jìn)行單獨(dú)2D控制，就能創(chuàng)造一種具有獨(dú)特光學(xué)控制和操作能力的、新型可重構(gòu)的快速數(shù)字空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator）。研究人員甚至希望通過將單一超表面晶胞（metasurface unit cells）整合到更復(fù)雜的基于懸臂的MEMS設(shè)計(jì)中，使超透鏡本身能重構(gòu)。