中山大学光电材料与技术国家重点实验室、物理学院周建英教授带领的极限尺度光场调控团队,利用单硅基超构表面技术,在实验上实现了NA=1.48的超高数值孔径,为迄今报道可见光范围内的数值孔径最高值。利用该油浸超构光学透镜可实现接近衍射极限的共聚焦扫描成像。

光学透镜是光学与光电子学中的基本光学器件之一。光学透镜已广泛应用于芯片制造、超分辨科学以及众多高科技产品,其设计与制造水平一定程度上代表了光科学与技术的发展水平。

数值孔径是光学透镜最重要的基本参量,是衡量光学系统收集光子能力的标尺。对于显微物镜,数值孔径越大,成像光斑越小,成像细节越清晰。超构表面结构是一种具有横向亚波长尺度的微纳光学结构,可以在不到一个光学波长的薄膜结构层上实现全2π相位的精确控制,从而实现对光波、电磁波相位、偏振方式、传播模式等特性的灵活有效调控。基于该结构的平面超构光学透镜可在百纳米厚度的微纳结构上实现超大数值孔径显微物镜,从而有望克服传统光学玻璃物镜加工难度大、显微物镜多透镜系统体积大等缺点。


图1 (a) 超高数值孔径超构光学透镜示意图;(b) 高纵横比微纳结构SEM图;(c) 空气中(NA = 0.98)聚焦光斑半峰全宽;(d) 油浸条件下(NA=1.48)聚焦光斑半峰全宽

中山大学物理学院及光电材料与技术国家重点实验室周建英教授团队以混合自适应人工智能优化程序设计出亚波长单晶硅超构表面结构,实现了相位的精确控制并减小了单晶硅结构在可见光波段的吸收。进一步,使用该结构演示了松柏油浸没下数值孔径为1.48的高透过率超构光学透镜,并实现了共聚焦激光扫描成像。该数值孔径在理论上更可达1.73。下一步,周建英教授团队拟将超构光学透镜应用于共聚焦激光扫描成像系统,从而研制出可集成、非侵入、无需荧光标定的超越衍射极限的超分辨光学系统。


图2 (a)共聚焦激光扫描样品及(b)其细节;(c)不同聚焦斑半峰全宽对应成像效果模拟图;(d)共聚焦激光扫描实验下成像效果,实验与模拟结果符合较好

相关研究成果以Ultrahigh Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths为题发表在Nano Letters [18 (7), 4460-4466, 2018]上。审稿人一致认定,该光学透镜的数值孔径为超构光学透镜中现有报道的最高记录。该研究工作的第一作者为梁浩文特聘副研究员,通讯作者为李俊韬副教授。中山大学为第一单位。本项目得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、光电材料与技术国家重点实验室、广州市集成光子系统与应用重点实验室、广东省自然科学基金、中山大学基本科研业务费及国家超级计算广州中心等支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01570