超薄透镜将入射光波长减半，让红外光"现形"

苏黎世联邦理工学院物理学家研发出一种能将红外光转化为可见光的透镜，其原理是将入射光波长减半。这项发表于《先进材料》的研究成果，可能彻底改变光学设备的设计范式。

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红外光穿过超透镜，转化为紫光，由于材料和特殊的表面结构而聚焦在一个焦点上（在放大镜中放大后得到的图像）。

透镜作为最广泛应用的光学器件，其演进速度在近几十年尤为显著——从传统笨重的相机镜头到如今智能手机的微型镜头便是明证。但高性能手机镜头仍需堆叠多片透镜，这成为手机厚度的主要来源。经典透镜设计的固有局限在于：需要足够厚度才能使光线偏折，进而在传感器上形成清晰图像。

过去十年光学领域的重大突破催生了"超构透镜"（metalens）。这种平面透镜不仅具备传统透镜功能，其厚度仅为人发丝的1/40，且无需玻璃材质。

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经典透镜与超透镜的示意图

由数百纳米级（1纳米=10亿分之一米）结构组成的特殊超构表面可改变光路方向，使透镜体积大幅缩减。

当这类纳米结构与特殊材料结合，便能探索光的非凡特性。非线性光学效应便是典型应用——例如绿色激光笔：红外光穿过高品质晶体材料后，波长减半转化为绿光。铌酸锂便是实现该效应的知名材料，广泛应用于电子设备与光纤的接口元件。

苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的Rachel Grange教授团队开创性地将铌酸锂用于制造超构透镜。他们结合化学合成与精密纳米工程技术，开发出类活字印刷术的制备工艺。论文第一作者、博士生Ülle-Linda Talts解释道："含铌酸锂晶体前体的溶液在液态时即可压印成型”。材料经600℃加热后形成晶体结构，实现类似激光笔的波长转换。

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制造过程

该技术具备多重优势：传统方法难以加工高稳定性铌酸锂纳米结构，而新工艺通过可重复使用的模具实现批量生产，成本效益与速度远超现有微型光学器件。

缔造"新生之光"的超薄透镜

研究团队成功制造出首个铌酸锂超构透镜。这些器件在聚焦光线的同时，还能改变激光波长：当800纳米红外光穿透透镜，另一侧便会输出400纳米的可见光，并精准聚焦于目标点。

Grange教授所称的"光的魔法"源于两大核心：超薄透镜的特殊结构，以及诱发非线性光学效应的材料特性。该效应不局限于特定激光波长，赋予技术广泛的应用潜力。

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用于超透镜的不同纳米结构的显微图像

从防伪纸币到尖端显微镜

此类透镜及全息纳米结构可作为防伪特征应用于纸币、证券与艺术品鉴定——其微观结构在可见光下不可见，非线性材料特性则提供高可靠性认证。

研究者还能通过普通相机探测器转换激光发射，使传感器中的红外光显形，或简化尖端电子制造所需的深紫外光刻设备。

这种被称为"超构表面"的超薄光学元件，是物理学、材料科学与化学交叉领域的新兴研究方向。Grange教授表示："我们目前仅触及皮毛，这种高性价比新技术未来的影响力令人无比期待。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1002/adma.202418957