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来自NASA的研究人员团队’喷气推进实验室和加州理工学院开发了一系列超薄光学组件,能够任意操纵光。这些设备被称为 超表面能够以标准光学器件难以实现的方式局部修改光场的属性。

那么操纵光意味着什么呢?光是一种在太空中传播的电磁场,可以通过以下方式完全描述一个波长 极化,相位振幅。如果我们知道现在的光场是什么样子,那么仅了解这些属性就可以准确预测未来的情况。

可以将存在的任何光学组件视为实质上改变了上述特性中的一个或多个。例如,在自由空间光学系统中, 极化 使用波长延迟器,偏振器和偏振分束器进行了修改; 使用透镜,曲面镜或空间相位调制器进行成形;和 振幅 通过中性密度吸收性或反射性滤镜控制。因此,通过组合许多组件,我们’能够构建可以在不同程度上控制光场的系统。

但是,正如您可能已经猜到的那样,为了使我们能够完全控制,我们通常需要许多组件,每个组件通常都很庞大且昂贵。例如,考虑一下望远镜或DSLR中的光学元件。

什么是超表面?

超颖表面是平面(〜2D)结构,可局部改变反射或透射中光的偏振,相位和振幅,其中每个子像素小于光的波长。当我们说2D时,垂直尺寸通常是<100nm,或比人的头发小约1,000倍。因此,可以使用与高分辨率电子照相技术一样的最新电子设备(例如微芯片)完全相同的方式来制造这些扁平的,功能强大的光学组件。

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,一种将x偏振光和y偏振光分离并将其聚焦为两个的设备
不同点。可以任意选择两个不同的点

如ExtremeTech先前所述,圣杯在 可重新配置的光学器件 是要实现 超薄,可调,通过设备完成相位控制。

他们做了什么?

研究人员团队开发了一种新型的超表面,该超表面由非晶硅(硅纳米柱)的单层阵列组成,并图案化为不同大小的椭圆柱—所有坐在的基本上是玻璃表面。在扫描电子显微镜下看到,其超表面表现为砍伐森林,仅存有树桩。

每个硅树桩或柱子都有一个椭圆形的横截面,因此具有与可以在整个结构上激发的两种不同模式相关的不同有效折射率。通过仔细地改变每个支柱的直径并绕它们的轴旋转,科学家们能够同时操纵通过的光的相位和偏振。

使用椭圆纳米柱作为亚波长像素,研究人员生产了一系列光学器件,从偏振分束器和透镜到相位全息图,所有这些器件都在915nm的近红外波长下工作。 (可见光为400-700nm。)

分离x偏振光和y偏振光并将其聚焦到两个不同点的设备。可以任意选择两个不同的点

分离x偏振光和y偏振光并将其聚焦为两个的设备
不同点。可以任意选择两个不同的点

我应该在乎吗?

可以肯定的是,这是一个渐进的进步。全球在超颖表面上有大量研究,几乎每个星期都有一个新设备,据推测它将“revolutionize”光学领域,并适用于人们可能想到的每个领域(这是出版作品的一种巧妙的销售策略)。然而,实际上,这项研究是基于纳米结构表面的小增量调整,可在一定程度上操纵光场。例如,该作品使用了红外光,因为在较短的时间内进行可见光会遇到各种各样的制造问题。同样,以前已经使用纳米棒和其他几何形状做几乎相同的事情。

本身的工作还不错,并且是进入超表面世界的好窗口。但是,除非有人破解了在可见光波长下完全的,可重新配置的相位控制,否则这种工作的影响将是短暂的。