【博科园-科学科普】使用纳米结构的金属板表面，将光学设备上笨重的、弯曲的透镜换成一个简单的平面，从而使光学领域发生革命性的变化。但是这些金属在光的光谱中仍然是有限的，它们可以很好地聚焦。现在哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员研制出了第一种单透镜，它可以将整个可见光范围(包括白光)聚焦到同一地点和高分辨率上。在传统的镜片上，这种方法只能通过叠加多个透镜来实现。
这项研究发表在《自然-纳米技术》上。聚焦整个可见光谱和白光——所有光谱颜色的组合——是如此具有挑战性，因为每个波长都以不同的速度穿过不同的材料。例如，红色的波长比蓝色的移动速度更快，所以两种颜色在不同的时间到达相同的位置导致不同的焦点。这就产生了被称为色差的图像失真。
这种平坦的金属是第一个可以聚焦在同一地点和高分辨率下的可见光(包括白光)的单一透镜。它使用二氧化钛纳米线阵列，同样聚焦波长的光和消除色差。图片版权：Jared Sisler/Harvard SEAS
相机和光学仪器使用不同厚度和材料的多重曲面透镜来校正这些畸变，当然，这增加了设备的体积。费德里科·卡帕索(Federico Capasso)说。他是罗伯特·l·华莱士(Robert l . Wallace)的应用物理学教授，同时也是《海洋电气工程》的高级研究员，同时也是该研究的资深作者。金属制品很薄，容易制造，而且成本高。这一突破将这些优势延伸到整个可见光范围。这是下一个重大举措。
哈佛大学技术发展办公室(OTD)保护了与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化的机会。Capasso和他的团队开发的金属材料，利用二氧化钛纳米鳍阵列，同样聚焦光的波长，消除色差。先前的研究表明，不同波长的光可以通过优化纳米鳍的形状、宽度、距离和高度来聚焦不同的距离。在最新的设计中，研究人员创造了成对的纳米鳍的单位，它们同时控制不同波长的光的速度。成对的纳米鳍控制着金属表面的折射率，并能在不同的时间延迟，使光穿过不同的鳍，确保所有波长同时到达焦斑。
设计一种无色的宽带透镜的最大挑战之一是，要确保从金属的各个不同角度发出的波长同时到达焦点，”《海洋》的博士后研究员、论文的第一作者魏婷说。“通过将两个纳米鳍结合成一个元素，我们可以调整纳米结构材料的光的速度，以确保可见的所有波长聚焦于同一点，使用单一的金属。”这大大降低了厚度和设计复杂性，与复合标准色差透镜相比。
使用我们的消色差镜头，我们能够执行高质量，白光成像。这项研究的共同作者之一、Alexander Zhu说：这让我们更接近将它们纳入到普通光学设备(如相机)的目标。接下来，研究人员的目标是将镜片的直径扩大到大约1厘米。这将打开大量新的可能性，比如虚拟和增强现实中的应用程序。
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知识：科学无国界，博科园-科学科普
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参考：Nature Nanotechnology
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作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
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内容：“博科园”判定符合今主流科学
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来自：哈佛约翰·保尔森工程与应用科学学院
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编译：光量子
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审校：博科园
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传播：博科园
