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微秒激光制造单层TMDC透镜的示意图。插入:(i)单层TMDC单晶的AFM图像,和(ii)飞秒激光诱导的MOX纳米颗粒的原理图。韩林,曾泉徐,贵园曹,靖国张,嘉东周,紫玉王,李志仁,郑柳,天平湖,郑伟,乔格·宝,宝华嘉
飞秒激光制作单层TMDC透镜示意图。插图:(i)单层TMDC单晶的AFM图像,(ii)飞秒激光诱导生成MOx纳米颗粒示意图。作者:韩林、徐泽权、曹桂元、张玉鹏、周佳东、王紫玉、万志晨、刘铮、罗建平、邱成伟、鲍巧亮、贾宝华

摘要:
镜头是日常生活中最常用的光学元件之一,包括眼镜、显微物镜、放大镜和照相机镜头。传统的透镜都是基于光的折射原理,利用不同的材料、球面和空间位置来实现对光的控制。传统镜片的制造,包括选材、切割、粗磨、细磨、抛光和测试等过程。为了使色差、球差和像散等像差最小化,需要将多层透镜叠加形成复合透镜,这就导致了现有摄像设备的复杂性和笨重性。

用于高分辨率成像的单层过渡金属二乙醇胺透镜

中国长春|发布于2020年8月14日

因此,巨大的努力已经致力于超薄扁镜的发展。与传统镜片不同,平面镜片使用纳米结构来调节光线。通过控制每个纳米元件的光学性质和空间位置,可以实现高级功能,例如无差异和无像差聚焦,高空间分辨率和特殊焦平强度分布。然而,当材料厚度降低到亚波长刻度时,基于本质折射率和材料的吸收的相位或幅度调制不足导致透镜性能差。vwin徳赢官网

在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中,由澳大利亚斯温伯恩理工大学翻译原子材料中心的贾宝华教授、蒙纳士大学的鲍巧良教授、新加坡国立大学的邱成伟教授和同事们共同开发了一种创新方法利用飞秒激光刻划纳米颗粒,在单层二维过渡金属二乙醇胺(TMDC)材料中制备高性能透镜。该透镜具有亚波长分辨率和31%的聚焦效率,为最终在纳米光学和片上光子应用中使用的薄光学器件奠定了基础。vwin徳赢官网

虽然由多层tmdc制成的透镜已经被证明,但是当其厚度减小到亚纳米尺度时,其相位或振幅调制不足导致聚焦效率低于1%。国际研究小组发现,利用飞秒激光束与单层TMDC材料相互作用可以生成纳米颗粒,这与连续波激光产生的过程有很大不同。当激光脉冲很短以至于整个材料在激光加工后保持冷态时,纳米颗粒可以牢固地附着在基底上。纳米颗粒显示出非常强的散射来调节光的振幅。因此,由纳米颗粒制成的透镜可以提供亚波长分辨率和高效率,这使得研究小组能够通过使用透镜来演示衍射受限成像。vwin徳赢官网

单层是一种材料最薄的形式,这是最终的物理厚度限制。通过将单层膜用于透镜制造,本研究所展示的工艺所消耗的材料最少,满足理论限制。更重要的是,飞秒激光技术是制造超薄透镜的最简单的方法,而无需特殊的工艺步骤。因此,这种透镜可以很容易地集成到任何光子或微流控器件中,以获得广泛的应用。

“我们用世界上最薄的材料制造了一个平面透镜,并证明超薄透镜的良好性能可以实现高分辨率成像。它在不同的应用领域显示出巨大的潜力,如眼镜、显微镜镜头、望远镜和照相机镜头。可以预见,通过使用这种技术,在不久的将来,照相机镜头的重量和尺寸可以大大减少。”来自斯温伯恩理工大学翻译原子材料中心的第一作者韩林博士说。

“我们很高兴看到飞秒激光加工二维材料的独特成果。这为利用可伸缩方法制造光子器件开辟了新的可能性。”翻译原子材料中心主任贾宝华教授补充道。

“我们可以将单层二维材料透镜整合到所需的设备上,只需将材料连接起来,然后使用飞秒激光进行制造。整个过程简单,方法灵活,成本低。因此,我们也看到了该方法的巨大应用潜力。”前蒙纳士大学的鲍乔良教授评论道。

“我们设计镜头的方式是,在不同的焦平面上,用不同的放大倍数,可以看到图像。这一机制可以很容易地用于开发一个光学变焦镜头,这是所有手机相机都需要的。目前使用的变焦镜头有不同的焦距功能。然而,我们的镜头只需一个设计就可以实现不同的变焦率。”新加坡国立大学邱成伟教授预测。

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