MEMS与超透镜相结合,在传感器中操控光线

描述

近日,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作,首次将在光通信、生物成像、激光雷达(LIDAR)系统中广泛应用的两种技术:微机电系统(MEMS)和超透镜结合到了一起,成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

背景

无人驾驶汽车

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前不久,笔者刚介绍过美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的科研人员开发的大面积自适应超透镜(metalens),它有望成为未来的“人造眼”。

超材料和微机电系统(MEMS)两项技术看似无关,但是科研人员在尝试将它们结合。例如,美国杜克大学科研人员就结合这两项技术,设计出了首个具有红外线发射特性的超颖材料装置,它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案,还可用于废热利用。此外,这种可重构的超颖材料还有望应用于动态红外线光学隐身斗篷,以及红外线范围内的负折射率介质。

创新

近日,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作,首次将在光通信、生物成像、激光雷达(LIDAR)系统中广泛应用的两种技术:微机电系统(MEMS)和超透镜结合到了一起,成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜(方片)的近距离视图。MEMS与超透镜相结合,通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势,在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

(图片来源:美国阿贡国家实验室)

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜(圆形)的近距离视图。MEMS与超透镜相结合,通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势,在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

(图片来源:美国阿贡国家实验室)

阿贡国家实验室纳米材料中心(美国能源部的一个科学用户设施办公室)纳米制造和装置小组的负责人 Daniel Lopez、Capasso 以及四位合著者在《 APL Photonics》杂志上发表了一篇题为“基于MEMS技术的动态超表面透镜”("Dynamic metasurface lens based on MEMS technology." )的论文,描述了相关研究成果。

最终的研究成果是一种新型红外光线聚焦系统,它集合了这两项技术的最佳功能,缩小了光学系统的尺寸,可用于无人驾驶汽车和货车的周围环境扫描。

技术

超透镜比现有透镜更轻更薄,并可以使用与制造计算机芯片同样的技术制造。与此同时,MEMS 也是由可移动的微型镜子组成的小型机械装置。

Daniel Lopez 表示:“这些装置对于如今的许多技术来说都很关键。它们已经遍布各个领域,从激活汽车安全气囊到智能手机的全球定位系统,都可以看到这些装置的身影。”

在论文中,科研人员描述了他们是如何制造和测试这种新型装置。这些装置的直径是900微米,厚度是10微米(人类头发丝的厚度约为50微米)。

在这两项技术融合的光学系统中,MEMS 镜子反射扫描光线,然后超透镜会聚焦这些光线,并且无需额外的光学组件,例如聚焦透镜。阿贡国家实验室和哈佛法大学的团队成功地将两种技术结合到一起,而不会影响彼此的性能。

最终的目标是,通过使用如今制造电子器件的同样技术,制造光学系统所有组件:MEMS、光源和基于超表面的光学器件。Lopez 表示:“然后,从根本上说,光学系统可以与信用卡一样薄。”

目前,在阿贡国家实验室纳米材料中心、SEAS以及哈佛大学纳米系统中心(美国国家纳米技术协同基础设施的一部分)的科学家们正在合作进一步开发两项技术的新型应用。

价值

这些位于MEMS上的透镜装置,将会推进LIDAR系统,用于为无人驾驶汽车引路。作为对比,目前的LIDAR系统扫描其紧邻的障碍物时,直径只有几英尺。

Lopez 表示:“你需要特殊的、大型的、笨重的透镜,而且还需要机械物体来移动它们,这样会变得缓慢且昂贵。”

Capasso 表示:“这是史上首次成功地将MEMS技术和超透镜技术相结合,他们的高度兼容的技术实现了这一目标,将为光学系统带来高速和敏捷,以及前所未有的功能。”

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