MEMS与超透镜相结合,在传感器中操控光线

MEMS 与超透镜相结合,在传感器中操控光线
近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行
合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS 平台顶层之上的超透镜。

背景
前不久，笔者刚介绍过美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发的大面积自适应超透镜（metalens），它有望成为未
来的“人造眼”。

超材料和微机电系统（MEMS）两项技术看似无关，但是科研人员在尝试将它们结合。

例如，美国杜克大学科研人员就结合这两项技术，设计出了首个具有红外线发射特性的超颖材料装置，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，还可用于废热利用。

此外，这种可重构的超颖材料还有望应用于动态红外线光学隐身斗篷，以及红外线范围内的负折射率介质。

创新
近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行
合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的
两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位
于MEMS 平台顶层之上的超透镜。

下图是集成到MEMS 扫描器中的基于超表面的平面透镜（方片）的近距
离视图。

MEMS 与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。

这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）
下图是集成到MEMS 扫描器中的基于超表面的平面透镜（圆形）的近距
离视图。

MEMS 与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。

这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）
阿贡国家实验室纳米材料中心（美国能源部的一个科学用户设施办公室）纳米制造和装置小组的负责人Daniel Lopez、Capasso 以及四位合着者在《APL Photonics》杂志上发表了一篇题为“基于MEMS 技术的动态超表面透
镜”（”Dynamic metasurface lens based on MEMS technology.”）的论文，描述
了相关研究成果。

最终的研究成果是一种新型红外光线聚焦系统，它集合了这两项技术的最佳功能，缩小了光学系统的尺寸，可用于无人驾驶汽车和货车的周围环境扫描。

技术
超透镜比现有透镜更轻更薄，并可以使用与制造计算机芯片同样的技术制造。

与此同时，MEMS 也是由可移动的微型镜子组成的小型机械装置。

Daniel Lopez 表示：“这些装置对于如今的许多技术来说都很关键。

它们
已经遍布各个领域，从激活汽车安全气囊到智能手机的全球定位系统，都可以看到这些装置的身影。

”
在论文中，科研人员描述了他们是如何制造和测试这种新型装置。

这些装置的直径是900 微米，厚度是10 微米（人类头发丝的厚度约为50 微米）。

在这两项技术融合的光学系统中，MEMS 镜子反射扫描光线，然后超透镜会聚焦这些光线，并且无需额外的光学组件，例如聚焦透镜。

阿贡国家实验室和哈佛法大学的团队成功地将两种技术结合到一起，而不会影响彼此的性能。

最终的目标是，通过使用如今制造电子器件的同样技术，制造光学系统所有组件：MEMS、光源和基于超表面的光学器件。

Lopez 表示：“然后，从根
本上说，光学系统可以与信用卡一样薄。

”
目前，在阿贡国家实验室纳米材料中心、SEAS 以及哈佛大学纳米系统中
心（美国国家纳米技术协同基础设施的一部分）的科学家们正在合作进一步开发两项技术的新型应用。

价值
这些位于MEMS 上的透镜装置，将会推进LIDAR 系统，用于为无人驾驶
汽车引路。

作为对比，目前的LIDAR 系统扫描其紧邻的障碍物时，直径只有几英尺。

Lopez 表示：“你需要特殊的、大型的、笨重的透镜，而且还需要机械物
体来移动它们，这样会变得缓慢且昂贵。

”
Capasso 表示：“这是史上首次成功地将MEMS 技术和超透镜技术相结
合，他们的高度兼容的技术实现了这一目标，将为光学系统带来高速和敏捷，以及前所未有的功能。

”。