超构透镜新突破：双模态自旋复用成像
2025-05-27 来源:本站 点击次数:401研究背景与技术挑战
传统成像技术的局限性
传统光学成像技术主要依赖于折射透镜的光学原理，虽然能够在一定程度上满足成像需求，但在面对复杂样本时，其性能往往受到限制。明场成像适用于观察生物组织的整体结构，但难以捕捉到细微的边缘和细节；而边缘增强成像则专注于揭示物体的边框特征，但无法提供完整的形态信息。此外，传统成像技术在多波长成像时存在显著的波长串扰，这对于需要精确波长控制的生物医学成像尤其不利。例如，在荧光成像中，不同荧光标记的激发和发射波长需要精确区分，而传统透镜难以实现这一点。
超构透镜作为一种新兴的光学元件，通过亚波长单元的精确设计和排列，能够实现光的高效操控。其优点包括轻薄、高数值孔径（NA）、色差校正以及多模态成像能力。然而，现有的超构透镜技术仍面临一些挑战。例如，大多数超构透镜基于宽带响应，缺乏对窄带光谱的有效调制，导致在多波长成像中的串扰问题无法得到有效解决。此外，超构透镜的高质量因数（Q因数）和高效率之间存在折衷关系，难以同时实现。例如，传统的非局域超构透镜虽然可以实现高质量因数，但其偏振转换效率通常较低，无法满足实际应用中的高效率需求。
非局域惠更斯超构透镜的提出
为了克服上述限制，科学家们提出了非局域惠更斯超构透镜的概念。非局域超构透镜依赖于多个亚波长单元的集体共振响应，能够实现高效的光谱和动量调制。不仅能够实现高质量因数和高偏振转换效率，还可以同时支持明场成像和边缘增强成像，且两者之间无串扰。这一设计为解决多模态成像中的波长选择性和高效光操控问题提供了新的思路。
技术创新与应用
非局域惠更斯超构透镜的设计原理
非局域惠更斯超构透镜的核心在于其独特的结构设计和物理机制。该超构透镜设计不仅实现了高达65%的偏振转换效率，还打破了传统超薄非局域超构表面的理论极限。此外，该设计通过几何旋转实现了稳定的相位调制，确保了在不同旋转角度下的一致性，这对于实现复杂的波前调制至关重要。
非局域惠更斯超构透镜的高性能主要得益于其高质量因数和高偏振转换效率。q-BIC模式以其高Q因数（90）和显著的入射角依赖性，为超构透镜提供了高效的光谱调制能力。实验结果显示，该超构透镜在1560纳米处实现了高Q因数和65%的偏振转换效率，这一效率远高于传统非局域超构透镜的理论极限。此外，通过优化设计，该超构透镜在共振波长处的透射率峰值可达65%，而在非共振波长处的透射率接近零，从而实现了高效的波长选择性成像。这种高效能设计为超构透镜在生物医学成像中的应用奠定了坚实基础。
多模态成像能力
非局域惠更斯超构透镜的另一大创新在于其多模态成像能力。通过巧妙地利用偏振转换光和未转换光的特性，该超构透镜能够在同一结构中实现明场成像和边缘增强成像。其中，偏振转换后的左旋圆偏振（LCP）光用于明场成像，其高效的聚焦能力和波长选择性使其能够清晰地捕捉生物组织等样本的整体结构；而未转换的右旋圆偏振（RCP）光则用于边缘增强成像，通过大入射角下的高透射率实现对物体边缘细节的增强。这种自旋复用成像技术不仅提高了成像效率，还避免了不同成像模式之间的串扰，为复杂的生物医学成像任务提供了一种全新的解决方案。
成像实验与结果分析
明场成像实验结果
明场成像实验结果显示，非局域惠更斯超构透镜在1560纳米的共振波长处实现了高效的聚焦。模拟和实验结果都表明，超构透镜的焦距为211微米，接近设计值220微米。在焦平面上，实验测得的半高全宽为4.7微米，小于衍射极限值3.9微米，这表明该超构透镜具有超衍射极限的成像能力。此外，超构透镜在共振波长下的亮度比非共振波长高出十倍以上，充分证明了其优异的波长选择性。在1560纳米波长下，超构透镜能够清晰地显示出USAF分辨率测试图卡的各个线对，表明其能够有效分辨微米级的结构细节。这种波长选择性明场成像能力对于生物医学成像中对特定波长光敏感的样本具有重要意义，例如在荧光成像中，超构透镜可以精确地选择激发波长，从而提高成像质量和信噪比。
边缘增强成像实验展示了非局域惠更斯超构透镜在微米尺度物体边缘细节增强方面的卓越性能。实验中，超构透镜被放置在样品的实平面上，无需额外的傅里叶变换光学系统。实验结果显示，超构透镜在两个主要共振波长（Dip1和Dip2）处均能有效增强样品的边缘细节。通过分析不同方向上的边缘增强图像，研究人员发现，超构透镜能够在水平和垂直方向清晰地分辨出物体的边缘特征。具体而言，对于最小线宽为7.6微米的测试图案，超构透镜能够清晰地显示出其边缘轮廓，增强后的图像在边缘处的光强变化显著高于背景区域，这表明该超构透镜在边缘增强成像方面具有显著优势。
此外，实验还对比了Dip1和Dip2两种情况下的成像效果。结果显示，Dip1的中心亮度较低，这主要是由于其主要来源于局部响应的米氏磁偶极共振（MDR），而Dip2则主要由非局域的q-BIC模式主导。由于q-BIC模式在成像场景中无法完全激发，因此在实际成像中Dip2的中心亮度相对较高。这种差异进一步证明了非局域效应在边缘增强成像中的重要性。通过这种无串扰的自旋复用成像技术，超构透镜能够在同一设备中同时实现明场成像和边缘增强成像，极大地提高了成像的灵活性和效率。
成像结果的综合分析综合明场成像和边缘增强成像的实验结果，非局域惠更斯超构透镜展现出了卓越的多模态成像能力。在明场成像模式下，超构透镜能够提供高分辨率、高对比度的图像，适用于观察生物组织的整体结构和形态；而在边缘增强成像模式下，超构透镜则能够突出物体的边缘细节，有助于揭示复杂样本的细微结构特征。这种在同一设备中实现多种成像模式的能力，不仅减少了实验设备的复杂性和成本，还提高了成像效率，尤其适用于需要同时捕捉多种信息的生物医学成像任务。
此外，实验结果显示，超构透镜的性能在不同波长和偏振态下表现出高度一致性和稳定性。这种稳定性源于其独特的结构设计和物理机制，例如q-BIC模式与Mie共振之间的相互作用，以及几何相位调制的高效实现。这些特性使得超构透镜在实际应用中具有广泛的适应性和可靠性，能够满足从实验室研究到临床诊断等多种场景的需求。
总结与展望
非局域惠更斯超构透镜的出现为成像技术的发展带来了革命性的变化。通过巧妙的设计和先进的制造工艺，这种超构透镜不仅实现了高质量因数和高效率的自旋复用成像，还成功克服了传统成像技术中波长串扰和功能集成的难题。它在明场成像和边缘增强成像方面的出色表现，使其在生物医学、材料科学等领域具有广阔的应用前景。未来，随着相关技术的不断进步，非局域惠更斯超构透镜有望实现更高的性能和更多的功能。例如，通过优化设计和制造工艺，进一步提高其Q因数和偏振转换效率；探索新的材料和结构，拓展其在不同波段的应用；以及结合人工智能等先进技术，实现更智能的成像控制和分析。总之，非局域惠更斯超构透镜的出现为成像技术的发展注入了新的活力，我们期待它在未来能够为科学研究和实际应用带来更多的惊喜和突破。
声明：本文仅用作学术目的。
Yao J, Fan Y, Gao Y, Lin R, Wang Z, Chen MK, Xiao S, Tsai DP. Nonlocal Huygens' meta-lens for high-quality-factor spin-multiplexing imaging. Light Sci Appl. 2025 Jan 30;14(1):65.
DOI:10.1038/s41377-024-01728-3.