苏黎世联邦理工学院：波长减半，超薄超透镜使红外光可见

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发表在《先进材料》（Advanced Materials）上的一项研究报告称，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的科学家们成功研发出一种能将红外辐射转化为可见光的超薄透镜，该技术通过使入射光波长减半实现光谱转换。

传统透镜与超透镜的示意图

透镜是应用最广泛的光学器件。最简单的譬如，相机镜头通过将光线聚焦于一点，可拍摄出清晰的影像。近几十年来光学领域的飞速发展，典型例证便是传统笨重相机已蜕变为如今的紧凑型智能手机摄像头。

如今，即便高性能智能手机摄像头仍需堆叠多枚透镜，镜头位置往往是手机最厚重的部分。这种尺寸限制源于经典透镜设计的固有特性——厚透镜对光线折射至关重要，能确保在传感器上形成清晰图像。

过去十年光学领域的重大突破致力于克服这一局限，并催生了超透镜透镜解决方案。这种平面透镜与传统透镜性能相当，其厚度不仅比人类发丝薄40倍，且因无需玻璃材质而显著轻量化。由仅100纳米宽高的微结构构成的特殊超表面可改变光线方向。利用此类纳米结构，研究人员能大幅缩小透镜尺寸实现微型化。

超透镜

结合特殊材料时，这些纳米结构可探索光的其他奇异特性。以非线性光学为例：该技术能将光波从一种颜色转换为另一种颜色。绿色激光笔即运用此原理——红外光穿透高品质晶体材料后，生成波长减半的绿光。铌酸锂便是实现该效应的知名材料，广泛应用于电信行业的光电转换器件。

苏黎世联邦理工学院量子电子研究所Rachel Grange教授正研究此类材料的纳米结构制造技术，其团队开发出新工艺，成功用铌酸锂制备金属透镜，相关成果近期发表于《先进材料》期刊。

这项创新技术将化学合成与精密纳米工程相结合。"含有铌酸锂晶体前体的溶液在液态时即可进行压印，原理类似古腾堡印刷术，"共同第一作者、Grange团队博士生Ülle-Linda Talts解释道。材料经600℃加热后形成晶体结构，即可实现如绿色激光笔般的光波转换。

该工艺具备多重优势：传统方法难以加工异常稳定的硬质铌酸锂纳米结构；新技术则通过可重复使用的反模实现量产，能按需印制任意数量金属透镜；相比其他铌酸锂微型光学器件，其成本效益与制造速度显著提升。

Grange课题组利用该技术成功制备出首个具有精密纳米结构的铌酸锂金属透镜。这些器件在实现常规聚光功能的同时，还能同步改变激光波长：当800纳米红外光穿透透镜时，另一侧会输出400纳米可见光并精准聚焦于目标点。

Rachel Grange所称的"光转换魔法"源于两大要素：超薄金属透镜的特殊结构，以及能产生非线性光学效应的材料特性。该效应不受特定激光波长限制，赋予技术广泛的应用潜力。

超透镜及类似的全息纳米结构可作为防伪特征应用于钞票证券，保障艺术品真伪鉴定。其微观结构在可见光下无法辨识，而非线性材料特性可实现高可靠性认证。

研究者还可通过简易相机探测器转换引导激光发射，使传感器中的红外光显像，或精简尖端电子制造中深紫外光刻所需设备。

这类被称为"超表面"的微纳光学元件研究，是横跨物理、材料与化学的新兴交叉领域。"我们仅触及冰山一角，这种高性价比新技术未来的影响力令人振奋，"Grange强调道。

该项研究得到瑞士国家科学基金的资助。