蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)家研發(fā)出一種能將紅外光轉(zhuǎn)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(xué)設(shè)備的設(shè)計范式。

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紅外光穿過超透鏡，轉(zhuǎn)化為紫光，由于材料和特殊的表面結(jié)構(gòu)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(yīng)用的光學(xué)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(shè)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(xué)領(lǐng)域的重大突破催生了"超構(gòu)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(zhì)。

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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(jié)構(gòu)組成的特殊超構(gòu)表面可改變光路方向，使透鏡體積大幅縮減。

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

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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(gòu)透鏡。他們結(jié)合化學(xué)合成與精密納米工程技術(shù)，開發(fā)出類活字印刷術(shù)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)類似激光筆的波長轉(zhuǎn)換。

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制造過程

該技術(shù)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(jié)構(gòu)，而新工藝通過可重復(fù)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(xué)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(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)，以及誘發(fā)非線性光學(xué)效應(yīng)的材料特性。該效應(yīng)不局限于特定激光波長，賦予技術(shù)廣泛的應(yīng)用潛力。

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用于超透鏡的不同納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可作為防偽特征應(yīng)用于紙幣、證券與藝術(shù)品鑒定——其微觀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)備。

這種被稱為"超構(gòu)表面"的超薄光學(xué)元件，是物理學(xué)、材料科學(xué)與化學(xué)交叉領(lǐng)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(shù)未來的影響力令人無比期待。"

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/adma.202418957