未来镜头将比纸还薄!清大用「凡得瓦材料」研发超薄平面镜头,扬

未来镜头将比纸还薄!清大用「凡得瓦材料」研发超薄平面镜头,扬

微型相机镜头大突破!清大光电所刘昌桦助理教授与美国华盛顿大学研究团队合作,研发出 不用玻璃折射成像,而是以数万个极微小的奈米柱排列为同心圆来改变光穿透速度的超平面透镜,厚度比纸还薄、甚至还可像贴纸一样撕下转贴,未来可应用在相机、手机及微创手术导管等镜头上 。

这项全球最薄介电质超平面透镜的研究成果,不仅登上了国际顶尖期刊 Nano Letters,许多外国媒体都也争相报导,并以「超超薄的平面镜头」、「光学镜头从 3D 变 2D」、「永别了,立体玻璃镜头」标题来形容这项重大突破,也让清华的研究能量扬名国际。

传统透镜由厚厚的玻璃镜片构成,需要经过打磨、抛光等昂贵製作过程,厚度往往达数个毫米。刘昌桦老师表示,近两、三年来奈米技术和奈米光学精进,开启了人工平面透镜「介电质超平面透镜」的研究领域,採用半导体材料如二氧化硅来「长」成数万一样高度的微米等级柱子,并排列成一圈圈同心圆的图案,来改变光穿透的速度,达到跟传统透镜一样好的效果。但因为构成透镜的微细柱子高度至少得是直径的 5 倍以上,又高又细的柱子很容易倒塌。

刘昌桦老师採用创新的光学设计方法,成功降低这些柱子的高度至奈米等级,柱高只要达直径 2 倍即可。柱子变矮了,更方便製作、更稳固,製作出的透镜也更加轻薄。以此方式製作出的镜头,直径只有头髮的百分之一;厚度仅 190 奈米,比五万分之一公分还要薄,创下世界上最薄介电质平面透镜的纪录。

用「凡得瓦力」成奈米柱材料

此外,刘昌桦老师研究团队也首度提出採用凡得瓦 (Van der Waals) 材料来製作奈米柱的构想。他解释,凡得瓦材料的特性与我们平常使用铅笔中的石墨相似,都是由一层层的单原子层堆叠形成,层与层之间只靠微弱的凡得瓦力连接,因此笔迹可轻易地被写在纸上、也可以轻易地被擦掉。

因此, 研究团队採用六方氮化硼、二硫化钼等凡得瓦材料製作奈米柱来形成超平面透镜,就能像贴纸一样撕下来再贴在其他的基板上 ,「就像壁虎的脚能轻易地攀附并爬行在天花板上,也是因为凡得瓦力。」刘昌桦老师说明。

刘昌桦老师目前在实验室使用电子束显微镜来製作超平面透镜,成功证明 不同的奈米柱排列方式,可取得清晰度不等的成像 。但因上万个奈米柱都得用人工一个个排列出来,製作速度较慢。刘昌桦表示,未来这套技术如获业界採用,用半导体製程的曝光机及光罩来製作透镜,数秒就可完成。

「意外」竟成为研究方向的重要灵感

光学镜头微型化的重大突破,竟起于一次不经意的错误。根据光学原理,透镜的奈米柱高度週期设计应为 0 到 2π。刘昌桦老师笑说,在某一次实验中,奈米柱高度週期被误设为 0 到π,因透镜仍可有效聚光、成像,一开始他们还没发现出错,直到回头检视,才大惊「为何这样也行?」开启了新的研究方向。

刘昌桦老师说,未来透镜轻薄化,不只改变手机及相机镜头、放大镜、近视眼镜、太阳眼镜等,更可让由许多镜头组合而成的仪器微型化,如以目镜、物镜、反光镜组合而成的显微镜,未来甚至能打造钻进人体血管的微型医疗机器人,「小小的光学元件改变,也可能带动医疗领域的重大革命。」

放弃国外深造机会,坚持学成报国

刘昌桦老师毕业于清大动机系,之后赴美于密西根大学电机系取得博士学位,并分别在西北大学材料系和华盛顿大学物理系担任博士后研究员。在回到母校清华执教之前,他也接到了国外知名大学的聘约,仍决定回台任教。他认为台湾的生活及研究环境,对年轻教授仍有一定的吸引力,例如厉害的半导体产业,「当然,能与父母家人一起生活是最重要的事。」他笑着说。

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