超结构从研究希望到商业成功的进展

2022-4-19 00:12| 发布者: everydayness| 查看: 3708| 评论: 0

摘要: 十年前，超材料是一种研究新奇事物，但据报道现在引起了智能手机制造商的兴趣——见见科学家将这项卓越技术商业化。晶圆上的近红外超透镜 2011年末，Federico Capasso教授发表了关于超材料的开创性论文《具有相位 ...

十年前，超材料是一种研究新奇事物，但据报道现在引起了智能手机制造商的兴趣——见见科学家将这项卓越技术商业化。

晶圆上的近红外超透镜

2011年末，Federico Capasso教授发表了关于超材料的开创性论文《具有相位不连续性的光传播：反射和折射的广义定律》。这一切都始于哈佛大学大气化学家吉姆·安德森教授的请求，他曾在飞机上驾驶量子级联激光器研究甲烷羽流。安德森现在想用无人机研究高空云化学，并询问Capasso是否可以在没有镜头的情况下准直激光，以节省小型飞行器的宝贵空间。

Capasso说：“我本以为这是一个愚蠢的问题，但后来我和我的博士后联系起来——我们在激光面上直接制作了一个平面准直透镜，这就是超光学的开始。”。“我们继续玩，发表了这篇论文，我对它的发展感到震惊——就好像人们突然看到了光明。”

十年后，引用次数超过 6000 次，《科学》杂志发表的研究仍然站稳脚跟，超表面和超光学领域充满了活力。从表面波的自旋控制和先进的图像处理到光束控制和氮化镓发光超表面，Photonics West 将展示超材料的潜力和惊人的广泛应用。

就他而言，Capasso期待看到消色差超透镜的最新成果，这是他最关心的研究领域。2019 年，他和同事展示了数十微米大小的消色差超透镜，覆盖了大部分可见光范围。此后，他们交付了 2 毫米大小的消色差透镜，可聚焦 RGB 波长而不会产生像差，为 AR/VR 应用开发小型化显示器，并试图制造可在可见光波长范围内工作的更大透镜。正如 Capasso 强调的那样：“我们看到越来越多关于像差的研究在这里进行。”

事实上，在 1 月份的 SPIE Photonics West 高对比度超结构 XI 会议上，来自英国剑桥大学的 Calvin Hooper 博士描述了他的计算机模拟，以探索超透镜设计如何克服消色差。他的工作参考康奈尔大学的一项研究，该研究探索了厚度和折射率如何限制超透镜消除色差的能力。在同一会议上，麻省大学阿默斯特分校的 Andrew McClung 博士详细介绍了一种在 800-900 nm 范围内进行校正的大型消色差超透镜，而麻省理工学院的 Juejun Hu 教授则研究了用于控制畸变的广角超透镜。

除了像差之外，Capasso 还展示了多功能超光学的工作，包括元光栅和计算全息，并将展示一种偏振敏感的相机，它可以在单次拍摄中测量图像散焦的深度。受蜘蛛眼睛视网膜的启发——它们具有非凡的深度感知——超透镜将光线分开，在光电传感器上并排形成两个不同的散焦图像。然后，一种有效的算法分析数据以构建深度图。这款紧凑型设备比当今的深度相机简单——后者需要旋转偏振器和分析仪设置——并且很快就会进入 AR/VR。

“硬件和软件协同设计是一个重要的趋势，它导致我们开发了这种深度相机——它在触发器方面的计算成本比传统的深度感应要低得多，”Capasso 说。 “我还认为偏振是超光学绝对没有竞争的领域，因为现有技术是如此复杂。”

但抛开研发不谈，metaoptics 似乎正处于商业化的风口浪尖，第一个应用是价值数千亿美元的智能手机市场。在硅片上制造的单个超光学透镜有可能取代当今移动设备中目前使用的几种折射透镜，从而消除所谓的智能手机摄像头凸起。

投资标的

NIL Technology 是一家准备在这里抢占市场份额的公司。 2021 年，这家丹麦公司在其已经赢得的数百万欧元风险基金中增加了 2600 万欧元，并准备大规模生产其高效、平面近红外 (NIR) 超透镜，经过多年的发展。

根据应用的不同，该公司所谓的元光学元件包括直径小于 100 nm 且具有垂直侧壁的柱阵列。超透镜通过电子束光刻制造，然后使用纳米压印进行大规模制造。 NIL Technology 首席执行官兼创始人 Theodor Nielsen 博士也强调了他的公司如何在不到两周的时间内生成设计并制作原型。

超光学元件的扫描电子显微镜图像

“我们已经准备好为手机行业服务，现在正在建设产能，”他说。 “商业利益是巨大的，我们的短期市场是面向正面和面向世界的手机的 3D 传感。”

“超透镜减少了光学系统中的元件数量，更易于组装并提供更多功能，”他补充道。 “它们让您有机会重新思考您如何定义您的光学系统并保持完美镜头的承诺 - 从某种意义上说，它们提供的镜头远远超过我们今天拥有的镜头。”

Nielsen 的同事兼 NIL Technology 的光学负责人 Ulrich Quaade 博士在 Photonics West 的“工程纳米结构 XII 的光子和声子特性”会议上描述了该技术，并查看了该公司的 NIR 相机模块，该模块使用 940 nm 单元透镜和近红外传感器。他还提供了有关超透镜如何达到其 94% 聚焦效率的见解——测量为传输到焦点的光功率除以透镜元件上的入射功率。 “我不知道有谁声称效率达到了这个水平，”尼尔森说。 “所以我们已经解决了效率问题，我们有一条大规模生产的路线......我相信我们是成功的，因为我们拥有我们所有的内部设计、制造和表征，而且我相信超透镜将用于智能手机一到两年。”

来自近红外成像系统的图像，该系统使用 940 nm 波长设计的单个超光学元件表面

NIL Technology 的商业抱负并不孤单。总部位于美国的无晶圆半导体业务 Metalenz 是 Capasso 哈佛集团的衍生公司，由 Robert Devlin 博士领导，去年从 Applied Ventures（应用材料公司的风险投资部门）和 Intel Capital 等公司获得了 1000 万美元的资金。将超光学技术商业化。该公司还推出了基于超光学的点投影仪，用于手机中的结构光和飞行时间 3D 深度传感，并与意法半导体签署了一项协议，为下一代智能手机和其他应用制造超光学技术。

大规模生产迫在眉睫，正如 Metalenz 与 STMicroelectronics 达成交易时 Devlin 评论的那样：“我们希望以非常快速的方式实现超表面……在所有需要 3D 传感的地方。”

不出所料，卡帕索也很兴奋。“我们有许多 OEM 供应商，他们正在使用手机，在 Metalenz 与我们交谈，根据我们的路线图，您将在两到三年内看到使用我们实际 metalens 的产品，”他说。

“我相信未来的智能手机将成为用于传感的微型光谱仪，”他补充道。 “我们现在已经超越了不归路，metaoptics 将在光学领域占据重要的市场份额，主要是在消费电子产品中，你可以从让产品变得更薄中受益。”