中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、物理學院周建英教授帶領的極限尺度光場調(diào)控團隊，利用單硅基超構(gòu)表面技術(shù)，在實驗上實現(xiàn)了NA=1.48的超高數(shù)值孔徑，為迄今報道可見光范圍內(nèi)的數(shù)值孔徑最高值。利用該油浸超構(gòu)光學透鏡可實現(xiàn)接近衍射極限的共聚焦掃描成像。
光學透鏡是光學與光電子學中的基本光學器件之一。光學透鏡已廣泛應用于芯片制造、超分辨科學以及眾多高科技產(chǎn)品，其設計與制造水平一定程度上代表了光科學與技術(shù)的發(fā)展水平。
數(shù)值孔徑是光學透鏡最重要的基本參量，是衡量光學系統(tǒng)收集光子能力的標尺。對于顯微物鏡，數(shù)值孔徑越大，成像光斑越小，成像細節(jié)越清晰。超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學結(jié)構(gòu)，可以在不到一個光學波長的薄膜結(jié)構(gòu)層上實現(xiàn)全2π相位的精確控制，從而實現(xiàn)對光波、電磁波相位、偏振方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。基于該結(jié)構(gòu)的平面超構(gòu)光學透鏡可在百納米厚度的微納結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)超大數(shù)值孔徑顯微物鏡，從而有望克服傳統(tǒng)光學玻璃物鏡加工難度大、顯微物鏡多透鏡系統(tǒng)體積大等缺點。
圖1. (a) 超高數(shù)值孔徑超構(gòu)光學透鏡示意圖；(b) 高縱橫比微納結(jié)構(gòu)SEM圖；(c) 空氣中（NA = 0.98）聚焦光斑半峰全寬；(d) 油浸條件下（NA=1.48）聚焦光斑半峰全寬
中山大學物理學院及光電材料與技術(shù)國家重點實驗室周建英教授團隊以混合自適應人工智能優(yōu)化程序設計出亞波長單晶硅超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了相位的精確控制并減小了單晶硅結(jié)構(gòu)在可見光波段的吸收。進一步，使用該結(jié)構(gòu)演示了松柏油浸沒下數(shù)值孔徑為1.48的高透過率超構(gòu)光學透鏡，并實現(xiàn)了共聚焦激光掃描成像。該數(shù)值孔徑在理論上更可達1.73。下一步，周建英教授團隊擬將超構(gòu)光學透鏡應用于共聚焦激光掃描成像系統(tǒng)，從而研制出可集成、非侵入、無需熒光標定的超越衍射極限的超分辨光學系統(tǒng)。
圖2. (a)共聚焦激光掃描樣品及(b)其細節(jié)；(c)不同聚焦斑半峰全寬對應成像效果模擬圖；(d)共聚焦激光掃描實驗下成像效果，實驗與模擬結(jié)果符合較好
相關研究成果以Ultrahigh Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths為題發(fā)表在Nano Letters [ 18 (7), 4460-4466, 2018 ]上。審稿人一致認定，該光學透鏡的數(shù)值孔徑為超構(gòu)光學透鏡中現(xiàn)有報道的最高記錄。該研究工作的第一作者為梁浩文特聘副研究員，通訊作者為李俊韜副教授。中山大學為第一單位。本項目得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、廣州市集成光子系統(tǒng)與應用重點實驗室、廣東省自然科學基金、中山大學基本科研業(yè)務費及國家超級計算廣州中心等支持。 |
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