元光学您未曾预见的颠覆性技术

对不断发展的元光学领域的回顾发现，机器人和自动驾驶汽车的眼睛将比人眼看到的更多。

超光学正在推动科学技术的进步，远远超出我们依赖于视觉人机界面的 3000 年光学范式，例如通过我们手机中的摄像头、显微镜、无人机和望远镜中的镜头。光学元件是元光学旨在转变的技术瓶颈，将科幻故事中的东西带入日常设备。

由于负折射率材料的概念化可以形成完美的透镜，该领域在 2000 年代初期蓬勃发展，在过去五年中发展迅速，现在每年发表约 3000 篇论文。

科学家和技术人员无法驾驭这种不断增加的研究量，这促使Nature Photonics委托元光学研究领域的领导者进行审查 ，ARC 转型元光学系统卓越中心 (tmos) 中心主任 Dragomir Neshev 教授.org.au)和澳大利亚国立大学的物理学教授，以及堪培拉新南威尔士大学的 Andrey Miroshnichenko 教授。

他们发现该领域正处于工业中断的边缘。

“元光学领域的最大驱动力来自于将元光学元件和设备集成到光学系统中，提供消费光电子应用，”作者写道。

“重要的是，元光学系统可以实现以前无法想象的新应用，增加所谓的工业 4.0。此类应用包括物联网、自动驾驶汽车、可穿戴设备、增强现实和遥感。”

苹果、谷歌和三星等行业巨头的大规模投资表明了这项技术的重要性，它们一直在招聘毕业生并投资于该领域，尤其是开发视觉应用程序。

但作者指出，除了视觉之外，超光学的非传统特性还可用于光帆、LiFi 和热管理。

这些特性来自元光学使用具有规则纳米级结构图案的表面，这与传统的镜子和透镜光学形成对比。其结果是微型组件能够以令艾萨克·牛顿震惊的方式散射和操纵光。

使用这些特性的第一批商业组件已经上市，Metalenz、NILT technologies 和 Meta Materials Inc 等公司提供平面超透镜、偏振成像、显微镜和生物传感。

这些设备还可以获取人眼无法检测到的光的特性——例如偏振和相位，甚至可以用来设计、操纵光的量子态，从而用于量子成像、传感和通信。

但作者也发现了该领域的挑战。其中第一个是能够扩大到与当前行业标准 CMOS(互补金属氧化物半导体)制造技术兼容的工业流程——特别是因为大多数超光学元件依赖透明基板，而 CMOS 不是。

其次，他们发现制作可调或可重新配置的超材料以启用动态组件的能力——就像电视屏幕上的像素每秒可以多次改变颜色一样——是难以捉摸的。

“这是一个未解决的问题，我们将其作为该领域的主要挑战提出。这是该领域的关键要素，现在每个人都需要它，”Neshev 教授说。

“有一种误解认为它已经完成了——人们迈出了一小步，在他们的论文中预测了一个遥远的未来。但实际上没有人可以在像素级为大型阵列调制相位。”

Neshev 教授说，如果这些挑战能够得到解决，那么元光学技术将具有巨大的潜力。

“作为一个平台，元光学非常灵活，它可以用于任何产品——例如，电话、电脑、汽车、卫星。

“它为光学元件的尺寸重量和功率提供了极致的微型化;它实现了传统光学无法实现的人机界面——例如 3D 视觉和增强现实，这对于传统光学来说确实很难，”Neshev 教授说。

“最后，如果我们可以修改通过组件的光的相位，那么我们将能够进行几乎任何图像处理。这将是游戏规则的重大改变者。”