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用于科学研究和工业现代化。
透镜是日常生活中最常用的光学元件之一。无论是平常戴的眼镜，还是拍照摄像用的镜头，用于研究的显微镜，亦或老年人用的放大镜，它们都属于透镜。日常生活中用到的透镜都是球面透镜，一般由光学玻璃、光学晶体、光学树脂等光学材料制作而成。它利用光学折射原理，采用不同材料、不同球面以及不同空间位置，来实现对光线的控制。
大部分的平面透镜的厚度依然是与波长特别是材料内的等效波长可比，从传统透镜到平面超薄透镜的百尺竿头，如何更进一步？往哪里进这一步？工程和优化上的面向还是有很多，譬如设计上引入可调机制，提高棱镜聚焦效率和宽带，色差像差纠正等等。但最让人激动的科学问题是：镜头到底可以多薄？如果镜头是单原子层二维材料，是否还能做出透镜？目前，由于调制原理的限制，需要实现足够强的场强和相位调制就需要材料有足够的厚度，在光波长量级，这样才能实现高质量的成像。虽然有一些研究工作介绍了使用亚纳米级厚度的透镜或者反射镜实现聚焦，其聚焦效率限制在低于1%，无法满足高质量成像的需求。通常单原子层材料因为太薄被认为不足以提供足够的相位或幅度调制来实现透镜功能，更遑论高效率的聚焦透镜，经典的衍折射透镜和超透镜的设计原理都已不能适用，故而没有可用的理论原则可以指导，甚至听上去还有一些违背常理。
图1.飞秒激光制造单原子层二维材料的超薄平面透镜（资料来源：Lin, H., et al., Diffraction-limited imaging with monolayer 2D material-based ultrathin flat lenses.光。科学与应用，2020。9(1). )
本方案基于飞秒激光与单层二维过渡金属二卤化物的特殊相互作用， 当飞秒激光照射到单层二维过渡金属二卤化物表面时，其材料分解并产生过渡金属氧化物的纳米颗粒。由于飞秒激光加工的激光脉冲非常短，在相互作用的过程中材料未被加热，因此，是一种冷处理的过程，产生的纳米颗粒可以有效的吸附在衬底表面实现由纳米颗粒组成的图形。
该过程如图1所示，聚焦的飞秒激光照射着单层的过渡金属二卤化物材料。这个单层的厚度只有7Å，如图1中的插图所示。从其中的放大图可以看出，在激光照射的区域产生了金属氧化物的纳米颗粒。所产生的纳米颗粒对光有很强的散射作用，这使得光的场强可以被调制。因此，通过飞秒激光将这些纳米粒子排列成同心环的结构，实现了透镜效应，使光的聚焦和物体的成像成为可能。每个环的线宽取决于飞秒激光聚焦的空间分辨率。在这项研究中，使用了高数值孔径显微镜头来聚焦飞秒激光，以实现高达400纳米的空间分辨率。
图2.制造的单原子层透镜的显微镜图片及其聚焦的光强度分布（来源：Graphene Multilayer Photonic Metamaterials: Fundamentals and Applications)
图3 大面积原子级超薄透镜的成像（来源：Lin, H., et al., Diffraction-limited imaging with monolayer 2D material-based ultrathin flat lenses. 光。科学与应用，2020。9(1). )
利用激光加工制作的一个透镜的光学显微图片如图2(a)所示。该透镜由不等间距的同心圆环构成。飞秒激光照射的区域由于产生了纳米颗粒对光形成很强的散射，因此变暗。其聚焦的焦点在xy平面和xz平面内的光强分布如图2(b)所示，其在xy平面内实现了亚波长的分辨率，在xz平面内实现了波长级的分辨率。该加工方法可以在任意的单层过渡金属二卤化物材料中实现很好的聚焦效果。其聚焦效率可以达到31%，远大于目前的亚纳米厚度的平面透镜。
同时，通过制作大面积单层过渡金属二卤化物透镜，本研究首次实现了单原子层材料透镜的高分辨率成像，其结果如图3所示。字母F和一个美国空军标准板被用于表征成像效果。其中1.1 μm的两条平行线可以在图中清晰分辨。更为有趣的是，由于该透镜可以同时实现正一级和正二级的成像，这样就可以有效实现不同的放大倍率的可变焦透镜。
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通过将这种镜头集成到相机、VR/AR设备和微流控设备中，可以有效地缩小设备的尺寸和厚度，实现客户要求的特殊功能。它可以广泛应用于微型光谱仪、超薄数码相机、微流控设备、光通信设备、相位调制设备、透明相位板、全息光学元件、VR/AR设备。
二维（2D）材料通常指含有单层或多层原子的材料，厚度从单个原子层到几十纳米不等。各种二维材料，如石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷和致癌物已被成功分离。二维材料表现出特殊的物理化学特性，如原子层厚度、强大的非线性光学特性、磁性和优良的机械特性。这些特性与它们的块状材料非常不同，为二维材料在纳米设备中的应用创造了新的机会，特别是在光子学方面。
最近，各种二维材料的微/纳米结构和功能器件被提出，并通过各种制造方法来实现其优异的性能。超快激光直写技术因其丰富的光物质相互作用机理和动力学特性、特殊的三维制造能力、任意结构设计的灵活性和最小的热效应，使加工精度达到几十纳米，充分显示了其卓越的制造能力，在材料图案化、改性和功能化方面得到了广泛的应用。其超高的分辨率和制造精度、简单灵活的制造方法和优异的性价比，是制备下一代大面积、高性能、便携式、集成化和柔性器件所不可或缺的。
NanoPrint 3D智能激光纳米制造系统利用激光直写技术制备功能性光子器件，如超薄透镜、石墨烯超材料、完美吸收器和2D材料的全息显示器。此外，超快激光直写技术还可用于二维材料的局部非线性特性修饰，只需在传统光子器件上增加二维材料层，并将其转变为高非线性系统。这种方法为实现超快速度提供了极大的灵活性，并大大提升了全光通信系统的性能。
微型光学元件是制造小型光电系统的关键部件，它具有体积小、重量轻、成本低的优点，可以实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波前转换等新颖功能。目前，光学系统的微型化和集成化已经成为各种应用的主要趋势。微型光学器件在光学成像和显示系统、光电系统、激光设备、热成像设备、夜视设备、红外扫描设备、显示系统、摄像系统、变焦镜头、医疗诊断用基金镜、内窥镜、渐进式镜头、手机、PDA、CD和DVD等方面发挥着越来越大的作用。
在应用需求的推动下，微光器件制造技术的研究也在不断深入。除了传统的超精密机械制造技术外，还出现了多种现代制造技术，如电子束写入技术、光刻技术、蚀刻技术、复制技术和镀膜技术。这些技术都是从微电子元件的微细加工技术发展而来的，但与原来的电子元件不同，三维成型精度和装配精度对光学元件至关重要，将直接影响其性能，因此这些方法都有各自的缺陷和使用限制。一般来说，加工精度和加工速度及产量是相互矛盾的目标，难以平衡。
NanoPrint 3D智能激光纳米制造系统的制造，基于激光与物质的非线性作用，可以实现多种材料的三维高精度微纳结构，为微光学元件的制造提供了新的思路。它还利用了多焦点并行加工技术，可以将制造效率和生产力提高数百倍，将激光直写技术从实验室推向生产制造环境。
以NanoPrint系统为代表的激光三维纳米制造技术，实现了非球面镜片、微透镜阵列、金字塔形微结构表面、减反射光栅、自由曲面光学元件等结构的制造，具有传统制造设备不具备的优势，如结构设计灵活、精度高、速度快等。它的主要特点是能够以纳米级的精度制造出真正的三维结构。