新研究：讓超透鏡與MEMS技術相互融合
背景
昨天，《史上首次！科學家利用人工智慧重構量子系統》一文中提到：科學家利用人工智慧方法，探索量子物理世界的創新研究案例。其中，非常值得我們注意是：
這項研究將「量子物理」和「人工智慧」這兩種前沿科技融合到了一起。
如今，多學科融合和跨學科創新已經成為一種新的科技發展趨勢。今天，筆者要介紹的創新研究案例，再一次的融合了兩個前沿科技領域：微機電系統和超透鏡。
首先，我們還是先簡單了解下相關背景知識。微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也稱為微電子機械系統、微系統、微機械等，是指尺寸在幾毫米甚至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。它是在微電子技術（半導體製造技術）基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術製作的高科技電子機械器件。例如，之前筆者常介紹的晶元實驗室技術，就與MEMS技術密不可分。
超透鏡，是筆者最近經常提及和介紹的一門前沿技術。為了搞清楚超透鏡，就必須先了解超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）這兩個概念。
超材料，是通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性（例如：負磁導率、負介電常數、負折射率等）的複合材料。
在超材料基礎上，科學家開始進一步研究超表面。超表面（metasurface）是由具有特殊電磁屬性的人工原子按照一定的排列方式組成的二維平面結構，可實現對入射光的振幅、相位、偏振等靈活的調控，具有強大的光場操控能力。與超材料相比，超表面不僅了突破了傳統材料電磁屬性，其二維平面結構還克服超材料三維結構加工難度大等問題，為納米光學器件集成化，小型化提供便利。
超表面可以組成具有透鏡功能的納米結構，因此便有了超透鏡。起初，超透鏡由哈佛大學應用物理系教授 Federico Capasso 及其在佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研小組開發。不同於傳統透鏡，超透鏡最大優點就是：輕薄（厚度為納米級）和小型化。其功能遠遠超越傳統透鏡，並有望徹底顛覆傳統光學裝置中笨重繁瑣的透鏡組，使得手機攝像頭、眼鏡、虛擬現實和增強現實硬體都變得非常輕薄。
前不久，筆者剛介紹過美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研人員開發的大面積自適應超透鏡（metalens），它有望成為未來的「人造眼」。
（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）
超材料和微機電系統（MEMS）兩項技術看似無關，但是科研人員在嘗試將它們結合。例如，美國杜克大學科研人員就結合這兩項技術，設計出了首個具有紅外線發射特性的超穎材料裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可用於廢熱利用。此外，這種可重構的超穎材料還有望應用於動態紅外線光學隱身斗篷，以及紅外線範圍內的負折射率介質。
（圖片來源：參考資料【2】）
創新
近日，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學的研究人員進行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達（LIDAR）系統中廣泛應用的兩種技術：微機電系統（MEMS）和超透鏡結合到了一起，成功地製造出位於MEMS平台頂層之上的超透鏡。
下圖是集成到MEMS掃描器中的基於超表面的平面透鏡（方片）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結合，通過結合高速動態控制和精準波前空間處理的優勢，在感測器中操控光線。這幅圖像由阿貢國家實驗室納米材料中心的光學顯微鏡拍攝。
（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）
下圖是集成到MEMS掃描器中的基於超表面的平面透鏡（圓形）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結合，通過結合高速動態控制和精準波前空間處理的優勢，在感測器中操控光線。這幅圖像由阿貢國家實驗室納米材料中心的光學顯微鏡拍攝。
（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）
阿貢國家實驗室納米材料中心（美國能源部的一個科學用戶設施辦公室）納米製造和裝置小組的負責人 Daniel Lopez、Capasso 以及四位合著者在《 APL Photonics》雜誌上發表了一篇題為「基於MEMS技術的動態超表面透鏡」（"Dynamic metasurface lens based on MEMS technology." ）的論文，描述了相關研究成果。
最終的研究成果是一種新型紅外光線聚焦系統，它集合了這兩項技術的最佳功能，縮小了光學系統的尺寸，可用於無人駕駛汽車和貨車的周圍環境掃描。
技術
超透鏡比現有透鏡更輕更薄，並可以使用與製造計算機晶元同樣的技術製造。與此同時，MEMS 也是由可移動的微型鏡子組成的小型機械裝置。
Daniel Lopez 表示：「這些裝置對於如今的許多技術來說都很關鍵。它們已經遍布各個領域，從激活汽車安全氣囊到智能手機的全球定位系統，都可以看到這些裝置的身影。」
在論文中，科研人員描述了他們是如何製造和測試這種新型裝置。這些裝置的直徑是900微米，厚度是10微米（人類頭髮絲的厚度約為50微米）。
在這兩項技術融合的光學系統中，MEMS 鏡子反射掃描光線，然後超透鏡會聚焦這些光線，並且無需額外的光學組件，例如聚焦透鏡。阿貢國家實驗室和哈佛法大學的團隊成功地將兩種技術結合到一起，而不會影響彼此的性能。
最終的目標是，通過使用如今製造電子器件的同樣技術，製造光學系統所有組件：MEMS、光源和基於超表面的光學器件。Lopez 表示：「然後，從根本上說，光學系統可以與信用卡一樣薄。」
目前，在阿貢國家實驗室納米材料中心、SEAS以及哈佛大學納米系統中心（美國國家納米技術協同基礎設施的一部分）的科學家們正在合作進一步開發兩項技術的新型應用。
價值
這些位於MEMS上的透鏡裝置，將會推進LIDAR系統，用於為無人駕駛汽車引路。作為對比，目前的LIDAR系統掃描其緊鄰的障礙物時，直徑只有幾英尺。
Lopez 表示：「你需要特殊的、大型的、笨重的透鏡，而且還需要機械物體來移動它們，這樣會變得緩慢且昂貴。」
Capasso 表示：「這是史上首次成功地將MEMS技術和超透鏡技術相結合，他們的高度兼容的技術實現了這一目標，將為光學系統帶來高速和敏捷，以及前所未有的功能。」
關鍵字
超透鏡、超材料、光通信、MEMS、LIDAR、光學
參考資料
【1】http://www.anl.gov/articles/marriage-light-manipulation-technologies
【2】X. Liu, W.J. Padilla, 「Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,」 Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017).
DOI: 10.1364/optica.4.000430
【3】Tapashree Roy, Shuyan Zhang, Il Woong Jung, Mariano Troccoli, Federico Capasso, Daniel Lopez.Dynamic metasurface lens based on MEMS technology. APL Photonics, 2018; 3 (2): 021302 DOI: 10.1063/1.5018865
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