中山大學光電材料與技術國家重點實驗室、物理學院周建英教授帶領的極限尺度光場調(diào)控團隊，利用單硅基超構表面技術，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。超構表面結構是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學結構，可以在不到一個光學波長的薄膜結構層上實現(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�；谠摻Y構的平面超構光學透鏡可在百納米厚度的微納結構上實現(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)值孔徑超構光學透鏡示意圖；(b) 高縱橫比微納結構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表面結構，實現(xiàn)了相位的精確控制并減小了單晶硅結構在可見光波段的吸收。進一步，使用該結構演示了松柏油浸沒下數(shù)值孔徑為1.48的高透過率超構光學透鏡，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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