将红外光转换为可见光的超透镜问世，通过纳米压印光刻制造

该透镜基于铌酸锂（LiNbO3）和纳米图案，可应用于微型相机元件和纸币防伪。

红外光穿过超透镜并转换成紫光

近几十年来光学领域的发展速度体现在从传统笨重相机到如今紧凑型智能手机相机的转变。

即使是高性能智能手机摄像头，也需要堆叠多层镜头，而这些镜头通常会占据手机最厚的部分。这种尺寸限制是传统镜头设计的固有特性——厚镜头对于弯曲光线、在摄像头传感器上捕捉清晰图像至关重要。

过去十年，光学领域的研究人员一直在努力克服这一限制，并最终提出了超透镜（metalenses）的解决方案。它们是扁平的，性能与普通透镜相同，不仅比普通人的头发细40倍，而且重量轻，因为它们不需要由玻璃制成。

一种由宽度和高度仅为100纳米的结构组成的特殊超表面可以改变光的方向。利用这种纳米结构，研究人员可以大幅减小镜头的尺寸，使其更加紧凑。

不寻常的属性

当这些纳米结构与特殊材料结合时，它们可以帮助探索光的其他特殊特性。例如，非线性光学，即将光从一个波长转换为另一个波长。铌酸锂是一种能够产生这种效应的著名材料，它在电信行业中用于制造连接电子设备和光纤的元件。

传统透镜与超透镜的示意图对比

苏黎世联邦理工学院量子电子研究所教授R​​achel Grange正在研究利用此类材料制造纳米结构。她和她的团队开发了一种新工艺，可以使用铌酸锂来制造超透镜。这项研究最近发表在《Advanced Materials》杂志上。

这位物理学家的新方法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可以在液态下进行压印。它的工作原理类似于古腾堡的印刷机，”论文共同第一作者、与Rachel Grange合作的博士生Ülle-Linda Talts评论道。一旦材料被加热到600°C，它就会呈现出晶体特性，从而能够像绿色激光笔那样进行光转换。

工艺优势

该工艺具有诸多优势。由于铌酸锂材料极其稳定且坚硬，使用传统方法生产纳米结构非常困难。研究人员表示，该技术适合大规模生产，因为反向模具可以多次使用，从而可以根据需要打印任意数量的超透镜。与其他铌酸锂微型光学器件相比，该工艺的制造成本更低、速度更快。

超透镜制造过程；以及不同纳米结构的显微图像

利用这项技术，苏黎世联邦理工学院 Grange 团队的研究人员成功制造出首批具有精确纳米结构的铌酸锂超透镜。这些器件在发挥普通聚光透镜的功能的同时，还能同时改变激光的波长。当波长为 800 nm 的红外光穿过超透镜时，波长为 400 nm 的可见光会在另一侧出现，并被引导至指定点。

Grange称之为“光转换的魔力——唯有超薄超透镜的特殊结构及其材料组成才能实现，这种材料能够产生所谓的非线性光学效应。”她补充说，这种效应并不局限于特定的激光波长，这使得该工艺在广泛的应用中具有高度的通用性。

该团队表示，其应用范围涵盖从防伪钞票到下一代显微镜工具。超透镜和类似的全息图生成纳米结构可用作安全特征，使钞票和证券防伪，并保证艺术品的真实性。它们的精确结构非常小，无法用可见光看到，而其非线性材料特性则可以实现高度可靠的身份验证。

相关技术论文

Scalable Lithium Niobate Nanoimprinting for Nonlinear Metalenses

Ülle-Linda Talts, Helena Weigand, Irene Occhiodori, Rachel Grange

First published: 14 April 2025 https://doi.org/10.1002/adma.202418957