新研究：让超透镜与MEMS技术相互融合

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新研究：让超透镜与MEMS技术相互融合

2018 年 2 月 28 日 IntelligentThings John

导读

近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

背景

昨天，《史上首次！科学家利用人工智能重构量子系统》一文中提到：科学家利用人工智能方法，探索量子物理世界的创新研究案例。其中，非常值得我们注意是：

这项研究将“量子物理”和“人工智能”这两种前沿科技融合到了一起。

如今，多学科融合和跨学科创新已经成为一种新的科技发展趋势。今天，笔者要介绍的创新研究案例，再一次的融合了两个前沿科技领域：微机电系统和超透镜。

首先，我们还是先简单了解下相关背景知识。微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也称为微电子机械系统、微系统、微机械等，是指尺寸在几毫米甚至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。它是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。例如，之前笔者常介绍的芯片实验室技术，就与MEMS技术密不可分。

超透镜，是笔者最近经常提及和介绍的一门前沿技术。为了搞清楚超透镜，就必须先了解超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）这两个概念。

超材料，是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（例如：负磁导率、负介电常数、负折射率等）的复合材料。

在超材料基础上，科学家开始进一步研究超表面。超表面（metasurface）是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构，可实现对入射光的振幅、相位、偏振等灵活的调控，具有强大的光场操控能力。与超材料相比，超表面不仅了突破了传统材料电磁属性，其二维平面结构还克服超材料三维结构加工难度大等问题，为纳米光学器件集成化，小型化提供便利。

超表面可以组成具有透镜功能的纳米结构，因此便有了超透镜。起初，超透镜由哈佛大学应用物理系教授 Federico Capasso 及其在佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研小组开发。不同于传统透镜，超透镜最大优点就是：轻薄（厚度为纳米级）和小型化。其功能远远超越传统透镜，并有望彻底颠覆传统光学装置中笨重繁琐的透镜组，使得手机摄像头、眼镜、虚拟现实和增强现实硬件都变得非常轻薄。

前不久，笔者刚介绍过美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发的大面积自适应超透镜（metalens），它有望成为未来的“人造眼”。

（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）

超材料和微机电系统（MEMS）两项技术看似无关，但是科研人员在尝试将它们结合。例如，美国杜克大学科研人员就结合这两项技术，设计出了首个具有红外线发射特性的超颖材料装置，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，还可用于废热利用。此外，这种可重构的超颖材料还有望应用于动态红外线光学隐身斗篷，以及红外线范围内的负折射率介质。

（图片来源：参考资料【2】）

创新

近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜（方片）的近距离视图。MEMS与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜（圆形）的近距离视图。MEMS与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）

阿贡国家实验室纳米材料中心（美国能源部的一个科学用户设施办公室）纳米制造和装置小组的负责人 Daniel Lopez、Capasso 以及四位合著者在《 APL Photonics》杂志上发表了一篇题为“基于MEMS技术的动态超表面透镜”（"Dynamic metasurface lens based on MEMS technology." ）的论文，描述了相关研究成果。

最终的研究成果是一种新型红外光线聚焦系统，它集合了这两项技术的最佳功能，缩小了光学系统的尺寸，可用于无人驾驶汽车和货车的周围环境扫描。

技术

超透镜比现有透镜更轻更薄，并可以使用与制造计算机芯片同样的技术制造。与此同时，MEMS 也是由可移动的微型镜子组成的小型机械装置。

Daniel Lopez 表示：“这些装置对于如今的许多技术来说都很关键。它们已经遍布各个领域，从激活汽车安全气囊到智能手机的全球定位系统，都可以看到这些装置的身影。”

在论文中，科研人员描述了他们是如何制造和测试这种新型装置。这些装置的直径是900微米，厚度是10微米（人类头发丝的厚度约为50微米）。

在这两项技术融合的光学系统中，MEMS 镜子反射扫描光线，然后超透镜会聚焦这些光线，并且无需额外的光学组件，例如聚焦透镜。阿贡国家实验室和哈佛法大学的团队成功地将两种技术结合到一起，而不会影响彼此的性能。

最终的目标是，通过使用如今制造电子器件的同样技术，制造光学系统所有组件：MEMS、光源和基于超表面的光学器件。Lopez 表示：“然后，从根本上说，光学系统可以与信用卡一样薄。”

目前，在阿贡国家实验室纳米材料中心、SEAS以及哈佛大学纳米系统中心（美国国家纳米技术协同基础设施的一部分）的科学家们正在合作进一步开发两项技术的新型应用。

价值

这些位于MEMS上的透镜装置，将会推进LIDAR系统，用于为无人驾驶汽车引路。作为对比，目前的LIDAR系统扫描其紧邻的障碍物时，直径只有几英尺。

Lopez 表示：“你需要特殊的、大型的、笨重的透镜，而且还需要机械物体来移动它们，这样会变得缓慢且昂贵。”

Capasso 表示：“这是史上首次成功地将MEMS技术和超透镜技术相结合，他们的高度兼容的技术实现了这一目标，将为光学系统带来高速和敏捷，以及前所未有的功能。”

关键字

超透镜、超材料、光通信、MEMS、LIDAR、光学

参考资料

【1】http://www.anl.gov/articles/marriage-light-manipulation-technologies

【2】X. Liu, W.J. Padilla, “Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,” Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017).
DOI: 10.1364/optica.4.000430

【3】Tapashree Roy, Shuyan Zhang, Il Woong Jung, Mariano Troccoli, Federico Capasso, Daniel Lopez. Dynamic metasurface lens based on MEMS technology. APL Photonics, 2018; 3 (2): 021302 DOI: 10.1063/1.5018865