超構(gòu)透鏡新突破：雙模態(tài)自旋復(fù)用成像

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限性
傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)主要依賴于折射透鏡的光學(xué)原理，雖然能夠在一定程度上滿足成像需求，但在面對(duì)復(fù)雜樣本時(shí)，其性能往往受到限制。明場(chǎng)成像適用于觀察生物組織的整體結(jié)構(gòu)，但難以捕捉到細(xì)微的邊緣和細(xì)節(jié)；而邊緣增強(qiáng)成像則專注于揭示物體的邊框特征，但無(wú)法提供完整的形態(tài)信息。此外，傳統(tǒng)成像技術(shù)在多波長(zhǎng)成像時(shí)存在顯著的波長(zhǎng)串?dāng)_，這對(duì)于需要精確波長(zhǎng)控制的生物醫(yī)學(xué)成像尤其不利。例如，在熒光成像中，不同熒光標(biāo)記的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)需要精確區(qū)分，而傳統(tǒng)透鏡難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的提出
為了克服上述限制，科學(xué)家們提出了非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的概念。非局域超構(gòu)透鏡依賴于多個(gè)亞波長(zhǎng)單元的集體共振響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光譜和動(dòng)量調(diào)制。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量因數(shù)和高偏振轉(zhuǎn)換效率，還可以同時(shí)支持明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像，且兩者之間無(wú)串?dāng)_。這一設(shè)計(jì)為解決多模態(tài)成像中的波長(zhǎng)選擇性和高效光操控問題提供了新的思路。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)原理
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的核心在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理機(jī)制。該超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了高達(dá)65%的偏振轉(zhuǎn)換效率，還打破了傳統(tǒng)超薄非局域超構(gòu)表面的理論極限。此外，該設(shè)計(jì)通過幾何旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的相位調(diào)制，確保了在不同旋轉(zhuǎn)角度下的一致性，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的波前調(diào)制至關(guān)重要。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
明場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
明場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡在1560納米的共振波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了高效的聚焦。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，超構(gòu)透鏡的焦距為211微米，接近設(shè)計(jì)值220微米。在焦平面上，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的半高全寬為4.7微米，小于衍射極限值3.9微米，這表明該超構(gòu)透鏡具有超衍射極限的成像能力。此外，超構(gòu)透鏡在共振波長(zhǎng)下的亮度比非共振波長(zhǎng)高出十倍以上，充分證明了其優(yōu)異的波長(zhǎng)選擇性。在1560納米波長(zhǎng)下，超構(gòu)透鏡能夠清晰地顯示出USAF分辨率測(cè)試圖卡的各個(gè)線對(duì)，表明其能夠有效分辨微米級(jí)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這種波長(zhǎng)選擇性明場(chǎng)成像能力對(duì)于生物醫(yī)學(xué)成像中對(duì)特定波長(zhǎng)光敏感的樣本具有重要意義，例如在熒光成像中，超構(gòu)透鏡可以精確地選擇激發(fā)波長(zhǎng)，從而提高成像質(zhì)量和信噪比。

此外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)比了Dip1和Dip2兩種情況下的成像效果。結(jié)果顯示，Dip1的中心亮度較低，這主要是由于其主要來源于局部響應(yīng)的米氏磁偶極共振（MDR），而Dip2則主要由非局域的q-BIC模式主導(dǎo)。由于q-BIC模式在成像場(chǎng)景中無(wú)法完全激發(fā)，因此在實(shí)際成像中Dip2的中心亮度相對(duì)較高。這種差異進(jìn)一步證明了非局域效應(yīng)在邊緣增強(qiáng)成像中的重要性。通過這種無(wú)串?dāng)_的自旋復(fù)用成像技術(shù)，超構(gòu)透鏡能夠在同一設(shè)備中同時(shí)實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像，極大地提高了成像的靈活性和效率。

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超構(gòu)透鏡的性能在不同波長(zhǎng)和偏振態(tài)下表現(xiàn)出高度一致性和穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性源于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理機(jī)制，例如q-BIC模式與Mie共振之間的相互作用，以及幾何相位調(diào)制的高效實(shí)現(xiàn)。這些特性使得超構(gòu)透鏡在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的適應(yīng)性和可靠性，能夠滿足從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床診斷等多種場(chǎng)景的需求。

總結(jié)與展望
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的出現(xiàn)為成像技術(shù)的發(fā)展帶來了革命性的變化。通過巧妙的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制造工藝，這種超構(gòu)透鏡不僅實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量因數(shù)和高效率的自旋復(fù)用成像，還成功克服了傳統(tǒng)成像技術(shù)中波長(zhǎng)串?dāng)_和功能集成的難題。它在明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像方面的出色表現(xiàn)，使其在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡有望實(shí)現(xiàn)更高的性能和更多的功能。例如，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝，進(jìn)一步提高其Q因數(shù)和偏振轉(zhuǎn)換效率；探索新的材料和結(jié)構(gòu)，拓展其在不同波段的應(yīng)用；以及結(jié)合人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能的成像控制和分析�？傊�，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的出現(xiàn)為成像技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，我們期待它在未來能夠?yàn)榭茖W(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用帶來更多的驚喜和突破。

DOI:10.1038/s41377-024-01728-3.