【纳米】ACS Nano┃可拉伸变焦超薄石墨烯透镜

英文原题： A Varifocal Graphene Metalens for Broadband Zoom Imaging Covering the Entire Visible Region

通讯作者：贾宝华, 斯威本科技大学；林瀚，斯威本科技大学

作者：Shibiao Wei, Guiyuan Cao, Han Lin, Xiaocong Yuan, Michael Somekh, and Baohua Jia

在智能手机、智能手表、便携式显微镜和光谱仪等光电设备或仪器中，小型化的可变焦透镜是不可缺少的重要组成部分。如图1中手机相机透镜组变焦示意图，通常变焦的功能都是通过透镜的轴向移动来实现的。变焦能力一般和透镜的可移动距离成正比，调节范围越大，需要的透镜可移动的空间越大，透镜组就越厚，这导致带有变焦功能的透镜组尺寸通常比较大。因此，设计一款不需要轴向移动透镜位置就可以实现变焦功能的新型透镜或调焦方式具有广阔的应用前景与价值。

斯威本科技大学埃米材料转化中心（CTAM）贾宝华教授团队与深圳大学纳米光子学研究中心（NRC）袁小聪、MichealSomekh教授团队合作利用迂回位相设计方法结合超薄石墨烯透镜的设计思路，设计并加工了具有变焦功能的新型超薄石墨烯超透镜。该透镜可以通过横向拉伸的方法，实现可见波段内的变焦功能，对不同景深的物体进行动态成像。并且这种新型石墨烯超透镜厚度仅为250 nm，极适合于在有变焦需求的超小型集成化成像系统中的应用。

图1. 动态变焦石墨烯超透镜设计示意图。（a）为具有动态变焦能力透镜组的镜头结构示意图；（b）为使用横向拉伸变焦石墨烯透镜成像镜头示意图；（c）石墨烯超透镜拉伸变焦示意图

石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯系列材料，包括石墨烯、氧化石墨烯（graphene oxide, GO）、还原型氧化石墨烯（reduced graphene oxide, rGO) 等具有优异的光学、力学、电学特性，并且具有耐腐蚀、耐高温、柔韧性好等优点（Nat. Commun., 2020, 11, 1389; Nat. Photonics, 2019, 13, 270-276; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 20298−20303）。特别是氧化石墨烯材料在可见光波段内折射率变化小，具有良好的宽带响应特性，十分适合作为宽带超薄透镜的设计材料。为了实现石墨烯透镜的动态拉伸，作者将氧化石墨烯透镜加工在具有良好应力形变能力的PDMS基底上。为了提高氧化石墨烯材料与PDMS基底的黏附性以及精确的控制材料厚度，研究团队利用自主研发的层层组装制备氧化石墨烯薄膜的方法来制备样品（ACS Photonics, 2019, 6, 1033-1040）。再通过单次激光直写加工二维材料的方法加工样品，高功率的激光直接把一部分氧化石墨烯刻蚀掉，构成了空气与氧化石墨烯组成的石墨烯超透镜（图2）。

图2. 石墨烯超透镜的加工与表征。(a)-(c) 为石墨烯超透镜制备加工示意图；(d), (e)为石墨烯超透镜SEM图与局部放大图；(f) 为光学相干轮廓仪表征石墨烯膜厚成像图；(g) 为原子力显微镜对透镜局部扫描成像图；(h), (i) 分别是在无拉伸时与拉伸约1.1倍后的石墨烯透镜在普通光学显微镜下的成像图。

作者分别选择波长分别为650 nm（红光）、550 nm（绿光）以及450 nm（蓝光）的三色激光束作为入射光实验测试了超薄石墨烯透镜的连续变焦能力。通过对石墨烯透镜的横向拉伸，实现了三个波长光束的变焦实验，其焦距变化量均超过了120%（图3）。

图3. 石墨烯超透镜动态变焦实验结果。左侧：三色光在不同的拉伸情况下焦点分布的变化。右侧，三色光在不同的拉伸情况下焦距的变化。

作者更进一步的测试了该石墨烯透镜的变焦成像能力。在三个波长下对两个置于170微米厚盖波片两面的字母“E”与“F”对焦成像。他们选取两个字母处于不同的景深位置，使得石墨烯透镜无法同时对两物清晰成像。通过横向拉伸变焦操作，则可以用同一个透镜在不同拉伸率的情况下在不同时刻对不同景深物体成清晰的像（图4）。

图4. 动态变焦石墨烯超透镜成像实验。(a) 为两个具有不同景深物体的结构示意图；(b)为石墨烯超透镜动态变焦成像示意图；(c)-(e)为在三个光波段下石墨烯超透镜对两物体动态变焦成像结果图。

综上所述，作者结合新型透镜设计与石墨烯材料特性设计、加工并测试了一种可通过横向拉伸变焦的石墨烯超透镜。其工作带宽可覆盖整个可见光范围。实验上展示了多个波长的变焦与动态成像能力。在透镜设计中引入迂回位相的设计方法，使得二维平面透镜的设计跳出了传统的菲涅尔波带片的框架，提高了透镜设计的灵活度，降低了透镜的加工难度。这项研究成果提供了一个以石墨烯为基础材料的可动态变焦、宽光谱响应、加工简单的新型超薄平面超透镜的设计方法，其在高度集成化的成像系统中具有广阔的应用前景。

相关论文发表在ACS Nano 上，深圳大学魏仕彪助理教授和曹桂源博士为文章的共同第一作者，斯威本科技大学贾宝华教授、林瀚博士为共同通讯作者。

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A Varifocal Graphene Metalens for Broadband Zoom Imaging Covering the Entire Visible Region

Shibiao Wei, Guiyuan Cao, Han Lin*, Xiaocong Yuan, Michael Somekh, and Baohua Jia*

ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c09395

Publication Date: February 16, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）