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光电技术研究所提出一种用于宽带超分辨率成像的超振荡超表面滤波器

发布:Photonicseditor    |    2018-07-12 20:41    阅读:174
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近日,中国科学院光电技术研究所罗先刚教授以及王长涛研究员,李雄副研究员,蒲明博副研究员,王彦钦副研究员研究团队,根据超表面(metasurface)相位调制的近似无散射特征,提出了一种用于宽带超分辨率成像的超振荡超表面滤波器,对于400至700nm范围内的可见光,获得了约0.64倍瑞利准则的分辨能力。预计该方法有可能促进基于超振荡光学系统的超分辨望远镜和显微镜的发展。其相关工作以“Achromatic Broadband Super-Resolution Imaging by Super-Oscillatory Metasurface”为题,发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。

根据瑞利标准定义,光学系统的分辨率取决于入射光的波长和有效数值孔径(NA)。为了提高分辨率,科学家们尝试通过倏逝波(evanescent wave)来获得样品的精细细节,例如扫描近场光学显微镜(SNOM)和超级透镜,但这些方法需要通过复杂的近场操作来进行亚波长衍射成像。此外,一些具有荧光辐射操作的超分辨率显微镜,包括光激活定位显微镜(PALM)和受激发射损耗(STED),在获得生物样品的纳米特征方面取得了令人瞩目的成就。但它们必须通过特定染料预先标记样品,其应用受到一定限制。

1952年,Toraldo将超分辨天线(super-gain antenna)的概念引入到光学超分辨领域,有效提高了远场成像的分辨率。最近,Berry和Popescu又发现了超振荡(super-oscillation)现象(局部振荡速度比其最高的傅里叶分量更快),其通常是由多频率多相位光的复杂的破坏性干涉行为引起的。此外,基于超振荡干涉的超振荡透镜(SOL)也已成功应用于共焦扫描系统中的亚衍射聚焦和成像,为远场无差超分辨率成像提供了新的研究方向。

在本项研究工作中,研究者提出并成功验证了这种基于超表面滤波器的白光超振荡成像系统的工作。他们在超表面上利用无色散自旋轨道相互作用,为白光提供了完美的0和π相位操纵。由于该成像系统在特定几何相位的调制不受波长的限制,因而可在较宽的波长范围内(甚至是白光)进行超分辨率成像,有效地避免了在传统超振荡成像中的单色限制。

他们在实验中首先通过在不透明屏幕上使用20μm直径的透明圆孔来测量点扩散函数,为了精确评估实验中点扩散函数的性能,在变异的图像平面中测量了波长为650±20,550±20和450±20nm的三种单色光性能,并与模结果进行了比较。其次,通过假设分辨对比度标准约0.153,测量结果表明两个孔的最小可分辨距离约为60μm,对于400至700nm范围内的可见光,获得了约0.64倍瑞利准则的分辨能力,并发现该系统对超振荡区域内的目标仍保持着亚衍射成像的能力。

总而言之,这种基于超表面滤波器的白光超振荡成像系统,可为远场和白光超振荡的成像方式提供一种新的思路,对显微镜和望远镜的光学器件而言具有很大的应用价值。与之前近场亚波长的干扰不同,这种超振荡现象可以被视为一种异常的干涉效应,预计可为生物成像,天文观测,监测和光学度量等领域带来新的突破和发展。

图一 宽带消色差超分辨率成像示意图

图二 位于玻璃基板上的超表面结构

a)φ= 45°、b) φ= 135°的单元电池示意图;

c)直径为9毫米的超表面结构;

d)超表面材料的光学透射率;

e)具有不同取向的晶胞的相移;

f)超表面的径向相位分布。

图三 超表面和二元瞳孔滤波器成像的比较

a)当波长在400-750 nm范围内变化时,分辨率因子G在光瞳滤波器和超表面内的分布;

b-d)“E”(100μm×124μm)成像的模拟结果,b-d分别为在对应的正方形、三角形和五边形中的波长。

图四 测量点扩散方程的实验装置

a)实验装置示意图;

b)插图表示两个环之间的Cr光栅的分布;

c)直径为20μm的孔的衍射极限图像;

d)直径为20μm的孔的超振荡图像。

图五 测量和模拟的轴向点扩散函数

a,d,g)在650±20,550±20和450±20nm处测量的轴向点散布函数;

b,e,h)固定波长后在650,550和450 nm处的模拟轴向点散布函数 。

图六 系统分辨率测量

a)衍射极限图像;

b)超振荡图像:插图为(a)中虚线标记的中心位置的强度分布;

c)实验成像对比度,可用于调整双孔靶的中心距离。

图七 扩展目标成像

a)目标对象“E”的尺寸规定;

b)“E”的衍射限制成像;

c)“E”的超分辨率成像;

d)(b)中标记位置的强度分布图像。

原文链接:https://www.nature.com/articles/lsa201736

来源:两江科技评论

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