蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理學家研發(fā)出一種能將紅外光轉化為可見光的透鏡，其原理是將入射光波長減半。這項發(fā)表于《先進材料》的研究成果，可能徹底改變光學設備的設計范式。

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紅外光穿過超透鏡，轉化為紫光，由于材料和特殊的表面結構而聚焦在一個焦點上（在放大鏡中放大后得到的圖像）。

透鏡作為最廣泛應用的光學器件，其演進速度在近幾十年尤為顯著——從傳統(tǒng)笨重的相機鏡頭到如今智能手機的微型鏡頭便是明證。但高性能手機鏡頭仍需堆疊多片透鏡，這成為手機厚度的主要來源。經(jīng)典透鏡設計的固有局限在于：需要足夠厚度才能使光線偏折，進而在傳感器上形成清晰圖像。

過去十年光學領域的重大突破催生了"超構透鏡"（metalens）。這種平面透鏡不僅具備傳統(tǒng)透鏡功能，其厚度僅為人發(fā)絲的1/40，且無需玻璃材質。

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經(jīng)典透鏡與超透鏡的示意圖

由數(shù)百納米級（1納米=10億分之一米）結構組成的特殊超構表面可改變光路方向，使透鏡體積大幅縮減。

當這類納米結構與特殊材料結合，便能探索光的非凡特性。非線性光學效應便是典型應用——例如綠色激光筆：紅外光穿過高品質晶體材料后，波長減半轉化為綠光。鈮酸鋰便是實現(xiàn)該效應的知名材料，廣泛應用于電子設備與光纖的接口元件。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院量子電子研究所的Rachel Grange教授團隊開創(chuàng)性地將鈮酸鋰用于制造超構透鏡。他們結合化學合成與精密納米工程技術，開發(fā)出類活字印刷術的制備工藝。論文第一作者、博士生Ülle-Linda Talts解釋道："含鈮酸鋰晶體前體的溶液在液態(tài)時即可壓印成型”。材料經(jīng)600℃加熱后形成晶體結構，實現(xiàn)類似激光筆的波長轉換。

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制造過程

該技術具備多重優(yōu)勢：傳統(tǒng)方法難以加工高穩(wěn)定性鈮酸鋰納米結構，而新工藝通過可重復使用的模具實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成本效益與速度遠超現(xiàn)有微型光學器件。

締造"新生之光"的超薄透鏡

研究團隊成功制造出首個鈮酸鋰超構透鏡。這些器件在聚焦光線的同時，還能改變激光波長：當800納米紅外光穿透透鏡，另一側便會輸出400納米的可見光，并精準聚焦于目標點。

Grange教授所稱的"光的魔法"源于兩大核心：超薄透鏡的特殊結構，以及誘發(fā)非線性光學效應的材料特性。該效應不局限于特定激光波長，賦予技術廣泛的應用潛力。

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用于超透鏡的不同納米結構的顯微圖像

從防偽紙幣到尖端顯微鏡

此類透鏡及全息納米結構可作為防偽特征應用于紙幣、證券與藝術品鑒定——其微觀結構在可見光下不可見，非線性材料特性則提供高可靠性認證。

研究者還能通過普通相機探測器轉換激光發(fā)射，使傳感器中的紅外光顯形，或簡化尖端電子制造所需的深紫外光刻設備。

這種被稱為"超構表面"的超薄光學元件，是物理學、材料科學與化學交叉領域的新興研究方向。Grange教授表示："我們目前僅觸及皮毛，這種高性價比新技術未來的影響力令人無比期待。"

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/adma.202418957