可見光無色差半導體平面透鏡

工學院綠色科技中心林瑞明教授

公元1818年菲涅爾發明菲涅爾透鏡，又稱為階梯鏡。菲涅爾透鏡在透鏡的一側有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以對指定頻率範圍的光產生反射或折射作用，減輕透鏡重量及降低成本。

目前手機鏡頭為了完美成像無法減薄縮小成平面透鏡。2017年1月哈佛大學首次在金屬鏡面上用二氧化矽做隔離層，成長方形的氧化鈦的奈米柱，於Nano Letters發表波長490 - 550 nm無色差超穎(Achromatic Metalens)平面透鏡。

透過與中研院、南京大學及台灣大學的專業合作，長庚大學化合物半導體磊晶實驗室在藍寶石(Sapphire)基板上磊晶成長800nm氮化鎵(GaN)，完成半導體平面透鏡的結構，於2018年在Nature Nanotechnology共同發表世界上第一顆可見光(400-660 nm)無色差超穎單晶半導體平面透鏡，如圖一與圖二所示。本研究藉由奈米結構建構超穎介面(Metasurface)，有效改變入射光源的特性，如相位，振幅與偏振等，進而達成操控光線之目的。相較於利用自然界存在的光學材料，超穎介面提供了更大的自由度，有助於發展多功能超薄光學裝置。本研究將氮化鎵材料成長於藍寶石基板上，以革命性觀念設計製作出具有「集成共振單元」的超穎表面結構，開發出寬頻且消色差之超穎透鏡，是國際上奈米光學領域重要的里程碑，對未來實現輕、薄、微小、精、準的平面型光學元件有極大的幫助。