美國研究人員開發可控三維光束的微型鏡片，有望縮小光學系統尺寸

美國的研究人員開發了一種鏡子，這項技術有望開啟更小、更快速及更具多功能性的光學系統。該微型電機系統（MEMS）微鏡由賓夕法尼亞州立大學的研究團隊研製，能夠執行傳統上需要多個光學元件的任務：在兩個方向上引導鐳射束，同時在不同深度改變其焦點。微鏡能夠在兩個方向上傾斜。「能夠通過單一設備快速控制三維光線，顯著改善光學系統的整體尺寸和重量。」該研究的第一作者、電機工程博士生亨特·希林堡（Hunter Shillingburg）表示。

微型鏡片的多功能性

「雖然這些領域都密切相關，但我認為神經生物學的潛力最大。該系統可能導致更小的可安裝式微型顯微鏡，用於研究活體神經生物學，以及更輕便的擴增實境眼鏡和耳機。」

在三維空間中控制鐳射束比單純將其從一側移動到另一側更為複雜。傳統光學系統通常需要分開的元件來引導光束和調整其焦點。賓州州立大學的設備將這些功能合併為一個微小的鏡子。該微鏡可以在兩個方向上傾斜，使其能夠在一個區域內移動鐳射束。同時，該鏡子可以改變其反射面形狀，令其變得更加平坦或更具弧度，這改變了反射光聚焦的點。這意味著同一設備可以同時控制鐳射束的位置和深度。

該微型設備的核心是一個微型電機系統（MEMS）微鏡。MEMS 是基於晶片的微型機器，採用與製造計算機晶片相同的多種製造方法。除了電子元件外，它們還可以包含設計用於物理移動或彎曲的微觀部件。根據新聞稿，該設備中的這些部件會根據需要傾斜和重塑微小的鏡子。「MEMS 微鏡就是一個能夠移動的鏡子。」希林堡說。「就像普通鏡子一樣，向其照射鐳射會使光束反射到鏡子的表面，反射光點可以通過前後傾斜鏡子來定位。」

技術應用潛力

該設備可以在兩個方向上傾斜，允許它在一個區域內掃描光線。然而，與典型的掃描鏡子不同，該鏡子還可以改變其反射面形狀——使鏡子變得平坦或更具碗狀，改變反射光聚焦的地方。換句話說，通過側向引導光線並在微秒速度下改變焦點深度，該掃描器實現了鐳射束的真正三維空間控制。為了實現這些動作，研究人員使用了氮化鋁這種壓電材料。當施加電壓於薄層氮化鋁時，它們會彎曲，從而傾斜或重塑鏡子。

圍繞鏡子的微小結構控制其傾斜，而另一層壓電材料則改變鏡子本身的形狀。由於該鏡子約有一毫米大小，因此反應迅速。研究人員測量到鏡子在百萬分之一秒內改變焦點的速度，這對於需要快速掃描三維空間的技術，如量子控制、結構化照明顯微鏡和光遺傳學，具有潛在的應用價值。

微型鏡片技術的未來應用前景

這項微型鏡片技術的發展不僅能改善光學系統的體積和性能，還可能推動神經生物學等領域的研究進展。隨著可安裝式微型顯微鏡和擴增實境設備的需求上升，這種能夠在三維空間中快速控制鐳射束的技術，將為相關應用提供更高的靈活性和精確度。此外，這項技術的快速反應能力，對於量子控制和光遺傳學等高端應用也具有重要意義。