全硫系玻璃超构透镜：微结构化的玻璃表面让长波红外成像元件更轻、更薄

全硫系玻璃超构透镜：微结构化的玻璃表面让长波红外成像元件更轻、更薄

宁波大学红外材料及器件实验室联合浙江大学、英国诺丁汉特伦特大学研究团队，在长波红外超构透镜领域取得重要突破。研究团队在硫系玻璃表面刻蚀出高深宽比超构透镜微结构，实现了长波红外光场的高效聚焦和成像，为发展轻量化长波红外成像系统提供了新的解决方案。

视觉在人类感知世界过程中扮演了关键角色：眼睛接收物体表面的散射光，通过晶状体成像在视网膜上，使我们能够看到五彩斑斓的景象。然而，这种可见光成像过程依赖外部照明，并且容易受到环境因素（如烟雾）的影响。根据普朗克定律，有温度（即温度大于-273.15 ℃）的物体会主动向外辐射光，其中室温物体的辐射光谱主要集中在长波红外波段（即波长范围在8~12 μm）。长波红外成像技术能够在低照度、雾霾、烟雾等复杂环境条件下提供良好的成像效果，并对温度变化敏感。因此，在**、安防、医疗等领域有着广泛的应用。目前长波红外相机体积大、重量高，而发展轻量化的长波红外成像系统，可以有效助力汽车自动驾驶、无人机视觉等新兴领域的发展。实现这一目标的关键在于发展轻薄、可批量生产的长波红外透镜，而超构透镜技术为此提供了一种有效实施方案。

近年来发展起来的全介质超透镜技术，是利用人工构造的亚波长结构阵列，实现对入射光场的相位、振幅和偏振态的灵活调控，具有平面超薄、紧凑易集成等优势，非常适用于集成光学系统。制备长波红外全介质超构透镜有两个问题：（1）常见的光学材料（如二氧化硅玻璃）在长波红外是不透明的；（2）异质衬底上制备数个微米厚介质微结构的方案，在复杂环境中可靠性较差（如热失配引起微结构坍塌）。为了克服这些问题，研究者提出直接在硅、锗等长波红外透明材料表面直接制备超透镜。但是硅在长波红外波段具有材料吸收，而锗具有较大的热膨胀系数、并且高温会引起材料吸收增强。硫系玻璃是一种由硫族元素（硫、硒或碲）组成的非晶材料，在长波红外具有高的折射率、极低的吸收损耗和良好的光学热稳定性等优势，已经在光纤、集成光子器件中展现出良好的应用前景。在硫系玻璃表面直接加工超构透镜结构，为实现长波红外超构透镜提供了一种新方案。

图1 （a）硫系玻璃；（b）全硫系玻璃超构透镜，标尺为2 mm；（c）硫系玻璃微柱的SEM图，标尺为20 μm及（d）局部放大图，标尺为10 μm; （e）全硫系超构透镜制备流程示意图。

图2 （a）全硫系玻璃超构透镜对λ= 9.78 μm激光聚焦图，光斑尺寸为 1.39λ；（b-c）全硫系玻璃超构透镜的热成像图。

该工作以“Surface-patterned chalcogenide glasses with high-aspect-ratio microstructures for long-wave infrared metalens”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Science （光电科学）2024年第10期，收录于“超构透镜”专题。该工作得到了国家自然科学基金项目和浙江省自然科学基金重大项目（创新群体）的支持。

宁波大学红外材料及器件实验室是国内一流的从事红外材料及其光子器件研发的团队。实验室现有研究人员34人，在读博士和硕士研究生200余人。近年来先后主持承担70余项国家级纵向科研项目，50余项省部级项目；连续近10年在国际上硫系玻璃领域发表SCI论文数量居全球研究机构排名第一；获得国家授权发明专利150余件，是国内拥有硫系玻璃领域授权发明专利最多的团队；制定国家标准5项；获2014年国家技术发明二等奖、2012年浙江省科学技术进步奖一等奖等多项奖励。

宁波大学红外材料及器件实验室全体师生合影