世界上最薄的透镜只有三个原子厚│碳材料大会│上海碳材料展

当您想到薄镜片时，大多数人想到的是隐形眼镜。一般说是0.1毫米左右，但世界上最薄的镜头却薄了1/100,000倍以上。

纳米级厚度的镜片也有望应用于AR眼镜

光学透镜具有弯曲的形状，可以折射光线，使透镜另一侧的物体看起来比实际更大。镜头广泛应用于从显微镜到天文望远镜、眼镜和隐形眼镜、半导体制造设备以及 VR 护目镜等各个领域。

尽管曲面镜片已经使用了 2000 多年，但它们并非没有缺点。也就是说，如果您尝试增加放大倍率，镜头就会变得又大又重。

另一种类型的透镜，菲涅耳透镜，被设计用来使透镜更薄。这是一种由一系列排列成圆形同心圆的同心棱镜组成的透镜，具有锯齿形横截面。这样可以有效收集光线，同时减少透镜的厚度。每个棱镜根据其位置设计有不同的角度，通过改变光线传播的方向来产生聚焦或发散光线的效果。

阿姆斯特丹大学的研究人员实现了世界上最薄的透镜，它是由单层同心圆制成的，这种材料称为二硫化钨（简称 WS2），就像菲涅尔透镜一样。这使得他们能够构建出 0.5 毫米宽、厚度仅为 0.0000006 毫米（即 0.6 纳米）的平面透镜。

该透镜的另一个显着特征是它依靠WS2内的量子效应来提高光收集效率。这些效应使镜片能够有效地吸收和重新发射特定波长的光，从而赋予它们内置功能，使它们能够在这些波长下更好地发挥作用。

其工作原理是 WS2吸收光并将电子发送到更高的能级。由于该材料的超薄结构，带负电的电子和它们在原子晶格中留下的带正电的“空穴”仍然通过静电引力结合在一起，形成称为“激子”的短寿命准粒子。当电子和空穴复合并发光时，这些激子很快消失。这种重新发射的光有助于提高透镜的效率。

该镜头的另一个独特之处在于，虽然部分穿过它的光线会产生明亮的焦点，但大部分光线穿过时不受影响。虽然这看起来像是一个缺点，但它实际上为未来技术的使用开辟了新途径。该论文的作者之一 Jorik van de Groep 解释说：“这些镜片可用于通过镜片观察视野不受阻碍且允许一些光线进入以收集信息的应用。这使得它们成为增强现实的可穿戴眼镜的理想选择。”其中。

研究人员表示，下一步是看看他们是否可以制造出更复杂的涂层，这些涂层可以由小电脉冲激活。

参考：

• 阿姆斯特丹大学：地球上最薄的透镜，由激子实现
• 来自《科学日报》：地球上最薄的透镜，由激子实现
• 纳米快报：利用原子级薄光学元件进行温度依赖性激子光操纵

研究总结

像 WS2 这样的单层二维半导体由于激子共振而表现出独特的强光-物质相互作用，这使得原子薄光学器件成为可能。与形状相关的等离子体和米氏共振类似，这些特定于材料的共振提供相干且可调谐的光散射。到目前为止，激子时间动力学对此类激子超表面性能的影响仍不清楚。在这里，我们表明，激子衰减率决定了直接从 WS2 剥离单层切割而成的原子级薄透镜的光捕获效率。通过将相干激子辐射与透镜焦点处的非相干背景分离，可以直接测量激子辐射在波前整形中的作用。此外，通过评估光收集效率与温度的函数关系，我们研究了激子-声子散射的影响，并证明了在极低温度下光学效率的提高。这一结果为了解激子光散射在二维纳米光子器件中的作用提供了有价值的见解。