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加州理工大学提出“折叠”光学技术将缩小光学设备尺寸
2018-11-01


[据物理学组织网站20181031日报道]加州理工学院工程与应用科学系应用物理学教授Andrei Faraon讲,下一代电子设备,从个人健康监测系统、增强现实耳机到只有在实验室才能找到的灵敏科学仪器,这些设备都很有可能会使用超表面光学元件。超表面光学元件操纵光线的方式类似于透镜,即透镜如何弯曲、聚焦或反射光线。但不同的是超表面通过精心设计的平面微观结构,以精细可控的方式做到这一点。这使得超表面光学元件既紧凑又易于调节,对于电子设备来说具有巨大的吸引力。然而,工程师们需要克服几个挑战才能使其得到广泛的应用。



大多数光学系统需要一个以上的光学表面才能正常工作。在基于超表面的光学系统中,设备内部的大部分空间都是光在不同界面之间传播的自由空间。对这种自由空间的需求使得整个设备难以缩小,而将多个光学表面集成和校准到单一的设备中时,过程可能是复杂和昂贵的。



为了克服这个限制,Faraon研究小组引入了一种叫做折叠超表面光学系统的技术,这是一种将多种类型的超表面打印到基片(如玻璃)两侧的方法。这样,基片本身就成为光的传播空间。为了证明这一概念,研究小组利用这项技术制造了一台光谱仪,这是一种科学仪器,可以将光分离成不同的颜色或波长,并测量相应的强度。(光谱仪应用于许多领域,例如,在天文学中,被用来根据恒星发出的光来确定恒星的化学组成)。Faraon研究小组制造的光谱仪厚1毫米,由三个相邻的反射超表面组成,用来分离并反射光线,最终将光线聚焦到一个探测器阵列上。设计的详细描述发表在《Nature Communications》杂志上。



Faraon研究小组开发的这种小型光谱仪有多种用途,包括作为一种无创血糖测量系统,这对糖尿病患者来说是无价的。该平台使用的多个超表面元件被集成到单一的步骤中,因此,一般来说,它为复杂但廉价的光学系统提供了一条潜在的道路。(工业和信息化部电子第一研究所  李茜楠)



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