用于高分辨率成像的单层过渡金属二元化合物透镜

由二维过渡金属二元化合物(TMDCs)制成的超薄光学透镜可以为下一代成像器件铺平道路，由澳大利亚斯威本科技大学的贾宝华教授领导的国际研究团队利用飞秒激光在透镜上刻写纳米粒子图案，该透镜具有亚波长分辨率和31%的三维聚焦效率，为用于纳米光学和片上光子应用的光学器件奠定了基础。 

透镜是日常生活中最常用的光学元件之一，包括眼镜、显微镜物镜、放大镜和照相机镜头。传统透镜基于光折射原理，使用不同的材料、球面和空间位置来实现对光的控制。传统镜片的制造，包括材料选择、切割、粗磨、精磨、抛光和测试过程。为了使包括色差、球差和像散在内的像差最小化，需要堆叠多层透镜以形成复合透镜，这导致了当前照相机设备的复杂性和繁琐性。 

因此，在超薄平板透镜的研发上已经付出了巨大的努力。与传统透镜不同，平板透镜使用纳米结构来调制光线。通过控制每个纳米元件的光学特性和空间位置，可以实现先进的功能，例如消色差和无像差聚焦、高空间分辨率和特殊的聚焦强度分布。然而，当材料厚度减小到亚波长尺度时，基于材料的固有折射率和吸收不充分的相位或振幅调制导致较差的透镜性能。 

在《光科学与应用》上发表的一篇新论文中，由澳大利亚斯威本科技大学转化原子材料中心的贾保华教授，曾任莫纳什大学的鲍巧良教授，新加坡国立大学的邱成伟教授及其同事领导的一个科学家团队，开发出一种创新的方法，可以通过使用飞秒激光对纳米颗粒进行图案化，从而在单层二维过渡金属二元化合物(TMDC)材料中制造高性能透镜。该透镜具有亚波长分辨率和31％的聚焦效率，为最终用于纳米光学和片上光子应用的薄光学设备奠定了基础。 

尽管以前已经证明了由多层TMDC制成的透镜，但是当其厚度减小到亚纳米级时，它们的相位或幅度调制不足导致聚焦效率低于1％。国际团队发现，可以通过使用飞秒激光束与单层TMDC材料相互作用来生成纳米颗粒，这与连续波激光器产生的过程明显不同。当激光脉冲太短以至于整个材料在激光处理后仍保持冷态时，纳米颗粒可以牢固地附着在基材上。纳米颗粒显示出很强的散射，以调节光的振幅。因此，由纳米粒子制成的透镜可以提供亚波长分辨率和高效率，这使得该团队可以通过使用透镜演示衍射受限的成像。

单层是材料的最薄形式，这是最终的物理厚度限制。通过使用单层透镜制造，本研究中证明的工艺消耗的材料最少，达到了理论极限。更重要的是，飞秒激光制造技术是一个一步的简单过程，无需高真空或特殊环境的要求，因此它提供了制造超薄平面透镜的最简单方法。结果，该透镜可以容易地集成到任何光子或微流体装置中，以用于广泛的应用。 

“我们使用了世界上最薄的材料来制造平面透镜，并证明超薄透镜的良好性能可以带来高分辨率成像。它在诸如眼镜，显微镜透镜，望远镜和可以预见，通过使用这种技术，可以在不久的将来显着减小相机镜头的重量和尺寸。”斯威本科技大学转化原子材料中心的第一作者韩琳博士说。 

“我们很高兴看到飞秒激光加工二维材料带来的独特结果。它为采用可扩展方法制造光子器件开辟了新的可能性，”转化原子材料中心主任贾宝华教授补充说。 

“我们可以通过简单地附着材料，然后使用飞秒激光进行加工，将单层二维材料透镜集成到所需的器件上。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”，原莫纳什大学的鲍巧良教授评论道。

“我们设计镜头的方式是可以在不同的焦平面上以不同的放大倍率找到图像。这种机制可以很容易地用于开发用于手机相机的光学变焦镜头。目前，具有不同焦距的镜头是用于实现不同的变焦功能。但是，我们的镜头只需一种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总结道。