利用二氧化钛层创建先进的超表面

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员正在制作一种由两层堆叠的二氧化钛纳米结构组成的双层超表面。

近十年前，哈佛大学的工程师们推出了世界上第一个可见光谱超表面。这些超薄、扁平的设备采用纳米级结构图案化，能够精确控制光的行为。

超表面为传统笨重的光学元件提供了强有力的替代品，可在光谱、通信、成像系统和增强现实等领域实现紧凑、轻便和多功能的应用。

“这是纳米技术的最高成就。它为结构光开辟了一条新途径，我们可以以前所未有的方式设计其所有方面，例如波长、相位和偏振。它为迄今为止才刚刚开始研究的超表面开辟了一条新途径。”——费德里科·卡帕索 (Federico Capasso)，研究资深作者，哈佛大学罗伯特·华莱士 (Robert L. Wallace) 应用物理学教授和文顿·海斯 (Vinton Hayes) 高级研究员，约翰·保尔森工程与应用科学学院

几个世纪以来，光学系统依靠由玻璃或塑料制成的大型曲面透镜来弯曲和聚焦光线。过去十年，由 SEAS 引领的超表面革命带来了平坦、超薄的表面，这些表面设计有数百万个小元件，可以以纳米精度操纵光线。

超镜头是这项技术的一个显著例子。与传统镜头不同，超镜头可以使用现有的半导体技术制造，从而为智能手机、相机和增强现实显示器等设备创建紧凑的集成光学系统。

在 Capasso 的团队开发出第一款能够弯曲可见光的超透镜后，他们与哈佛大学技术开发办公室合作，获得了该技术的许可并成立了 Metalenz。此后，他们展示了一系列潜在的应用，包括内窥镜、义眼和望远镜镜头。

然而，卡帕索团队开发的单层纳米结构设计有一些局限性。例如，以前的超表面需要精确操纵光偏振（光波的方向）来控制光的行为。

“许多人已经研究了双层超表面的理论可能性，但真正的瓶颈是制造。”——阿方索·帕尔米耶里 (Alfonso Palmieri)，这项研究的共同主要作者、哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院研究生

这一发展使得创建多功能光学设备成为可能，例如可以从一侧投射一个图像并从另一侧投射完全不同的图像的系统。

该团队由前博士后研究员 Ahmed Dorrah 和 Joon-Suh Park 组成，利用哈佛大学纳米系统中心的设施，开发出一种制造工艺，可制造由两个超表面组成的独立、坚固的结构，这些超表面保持牢固结合，而不会发生化学相互作用。

尽管多层图案化在硅半导体工业中很常见，但在光学和超光学领域尚未得到广泛的探索。

为了展示该设备的功能，科学家设计了一个实验，其中双层超透镜用于操纵偏振光，类似于波片和镜子系统的工作方式。

该团队设想通过更多层来控制光线，从而可能实现先进的基于光的功能，例如在可见光和近红外光谱范围内的高效宽带操作。