李文麗，虞益挺*

(1.空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072；2.陜西省微納機(jī)電系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

1 引 言

透鏡是光學(xué)系統(tǒng)之眼，應(yīng)用于深空探測(cè)、武器裝備、生命醫(yī)學(xué)、智能電子等軍民生活的方方面面。傳統(tǒng)透鏡由于存在曲面加工困難、體積大、質(zhì)量重等問(wèn)題逐漸被平面超薄透鏡替代。隨著微納光學(xué)理論及加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，借助厚度僅為數(shù)百納米的微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定距離處聚焦及成像的平面超薄透鏡逐漸在智能光電時(shí)代大背景下嶄露頭角[1-5]。

然而，光的波動(dòng)性使得光學(xué)透鏡存在衍射極限，傳統(tǒng)光學(xué)透鏡由于遠(yuǎn)場(chǎng)空間傅立葉高頻分量的缺失，聚焦性能受物理衍射極限的限制。1874年，Abbe首次對(duì)光學(xué)顯微鏡的分辨率極限進(jìn)行了定義并將其表示為0.5λ/NA，其中λ為入射光波的波長(zhǎng)，NA為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑[6]。1924年，Rayleigh提出了非相干成像條件下兩點(diǎn)之間的瑞利判據(jù)[7]，即顯微成像系統(tǒng)中恰分辨的兩點(diǎn)間最小距離等于光學(xué)系統(tǒng)艾里斑的半徑(0.61λ/NA)。采用較短的波長(zhǎng)入射可在一定程度上提高光學(xué)系統(tǒng)的聚焦與成像能力，但其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合具有一定的局限性。突破衍射極限實(shí)現(xiàn)超分辨光學(xué)聚焦與成像，獲得盡可能小的衍射聚焦光斑及光場(chǎng)可控的聚焦光場(chǎng)在超分辨光學(xué)顯微[8-9]、高精密激光加工[10-11]、超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[12-13]、納米光刻[14-15]、生命醫(yī)學(xué)[16-18]等領(lǐng)域意義深遠(yuǎn)，科學(xué)家們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)已經(jīng)做出了各種努力。

目前，平面超分辨透鏡主要有以下幾種類型：一種是利用表面等離子體恢復(fù)和放大倏逝波并使其參與成像，如負(fù)折射率超透鏡[19-22]。由于倏逝波成分束縛在目標(biāo)物體的表面，這種收集倏逝波的方式都需要成像器件緊貼在物體表面，因此需要高精度的近場(chǎng)操作手段作為保障，難以在準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超分辨。除了這種表面等離子體平面透鏡外，研究人員相繼提出了另外兩種平面超薄透鏡：基于波前重構(gòu)原理的平面超透鏡[23-29]和基于超振蕩原理的平面超分辨透鏡[30-34]。其中，基于波前重構(gòu)原理的平面透鏡，是利用亞波長(zhǎng)尺寸單元的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的振幅、相位、偏振等物理量進(jìn)行調(diào)控，在設(shè)計(jì)上具有較大自由度。然而，這種透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦，限制了其在超分辨聚焦與成像領(lǐng)域的應(yīng)用；此外，由于這類平面透鏡的基本構(gòu)成單元為亞波長(zhǎng)尺寸，其批量化、低成本制備也面臨重大挑戰(zhàn)。與前兩類透鏡相比，平面超振蕩透鏡可不借助于亞波長(zhǎng)單元尺寸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超越衍射極限的聚焦，并在批量化制備、低成本推廣等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

本綜述將從實(shí)用化角度出發(fā)，針對(duì)平面超振蕩透鏡的聚焦性能參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、制備工藝及應(yīng)用場(chǎng)景等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，并結(jié)合本課題組的理解和認(rèn)識(shí)對(duì)該透鏡目前存在的問(wèn)題以及對(duì)應(yīng)的解決辦法進(jìn)行闡述，最后對(duì)該研究方向未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 平面超振蕩透鏡的性能參數(shù)

2.1 超振蕩透鏡的焦點(diǎn)及其定義

近年來(lái)，基于超振蕩原理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨聚焦與成像引起了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛興趣。2006年，Berry等人首次證明了在遠(yuǎn)離點(diǎn)光源的超振蕩區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的任意小空間壓縮，如圖1(a)所示，它無(wú)需倏逝波的參與，主要依賴于光場(chǎng)帶限函數(shù)的局部振蕩頻率高于其最高傅立葉分量[35]。2007年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Huang等人利用類Penrose準(zhǔn)周期納米孔結(jié)構(gòu)首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到光學(xué)超振蕩現(xiàn)象，該結(jié)構(gòu)不僅能用于亞波長(zhǎng)聚焦也可用于超分辨成像[36]。2009年，該研究小組利用超振蕩原理，通過(guò)構(gòu)造一系列扁長(zhǎng)橢球波函數(shù)設(shè)計(jì)了一種通過(guò)光場(chǎng)精細(xì)干涉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦的相位、振幅連續(xù)調(diào)制掩模，在距離掩模表面20λ處獲得了大小為0.21λ的光斑[37]。這種平面復(fù)振幅結(jié)構(gòu)對(duì)當(dāng)前的微納加工技術(shù)提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，可以說(shuō)是一種理論上獲得超振蕩焦斑的方法。2012年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Rogers等人利用標(biāo)量角譜理論設(shè)計(jì)出一種二元振幅型超振蕩透鏡，借助共焦掃描成像方式實(shí)現(xiàn)了約λ/6的成像分辨率[38]。

圖1 超振蕩聚焦產(chǎn)生機(jī)理(a)[36]及超衍射極限聚焦判據(jù)(b)[39] Fig.1 The mechanism of super-oscillation focusing(a)[36] and the focusing criteria of super-diffraction limit(b)[39]

2014年，新加坡國(guó)立大學(xué)的仇成偉等人，在Berry理論的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的聚焦焦斑滿足超振蕩條件應(yīng)該具備的3大要素[39]：(1)首先光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)為軸對(duì)稱分布，實(shí)現(xiàn)圓形聚焦焦斑；(2)在聚焦平面上一定區(qū)域之內(nèi)，聚焦焦斑的振蕩頻率要大于該目標(biāo)平面上的最大傅立葉頻譜分量；(3)焦斑要位于r

因此，本論文將以平面超振蕩透鏡的可控優(yōu)化設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，面向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中對(duì)平面超振蕩透鏡聚焦性能如焦點(diǎn)尺寸、旁瓣能量、焦深等提出的要求為導(dǎo)向展開(kāi)相關(guān)討論。

2.2 超振蕩透鏡的焦深及軸向光場(chǎng)控制

在透鏡的實(shí)際使用過(guò)程中，焦深作為一項(xiàng)重要的性能參數(shù)，扮演著極其重要的角色，當(dāng)觀察具有一定厚度的樣品時(shí)需要一定長(zhǎng)度的焦深才能保證樣品在不同深度處的圖像都能看清。并且，應(yīng)用場(chǎng)景不同，透鏡所需要的焦深也不同。傳統(tǒng)透鏡的焦深與其數(shù)值孔徑有關(guān)，當(dāng)數(shù)值孔徑越大時(shí)焦深越短，在透鏡設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體的數(shù)值孔徑計(jì)算得到焦深[41-42]。與傳統(tǒng)透鏡數(shù)值孔徑與焦深存在固定的關(guān)系不同，平面超振蕩透鏡由于具有靈活的光場(chǎng)可控性，在光軸上可通過(guò)定義優(yōu)化參數(shù)在一定長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)焦深調(diào)制。通過(guò)在優(yōu)化過(guò)程中定義具體的參數(shù)以及設(shè)計(jì)相關(guān)約束將高數(shù)值孔徑的平面超振蕩透鏡的焦深設(shè)計(jì)為數(shù)十倍波長(zhǎng)[43-48]，研究人員將這類在光軸方向具有長(zhǎng)焦深且光強(qiáng)均勻性好、一致性強(qiáng)的光斑形式定義為光針。2016年，本課題組通過(guò)建立一種多目標(biāo)多約束優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)了數(shù)值孔徑接近1的平面超振蕩透鏡[49]，通過(guò)調(diào)控優(yōu)化參數(shù)得到在光軸方向均勻性較好、焦深長(zhǎng)度約12倍波長(zhǎng)的光針，如圖2(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示，該設(shè)計(jì)結(jié)果得到了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)這種光針具有無(wú)衍射特性[50-51]，這一特征使其在深度超分辨成像[52]、粒子操縱[53]及生物成像[54]方面具有潛在應(yīng)用。

圖2 平面超振蕩透鏡光針聚焦性能優(yōu)化結(jié)果[49] Fig.2 The optimized results of focusing performance of needle-like SOLs[49]

另一方面，由于平面超振蕩透鏡在軸向光場(chǎng)調(diào)制上具有較大的靈活性，2017年，本課題組通過(guò)建立多焦點(diǎn)多約束優(yōu)化模型設(shè)計(jì)了一種多焦點(diǎn)平面超振蕩透鏡[55]，經(jīng)過(guò)合理設(shè)置優(yōu)化參數(shù)及約束模型，可對(duì)軸向焦點(diǎn)個(gè)數(shù)、焦點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行任意控制，如圖3(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。結(jié)果顯示設(shè)計(jì)和仿真中的焦點(diǎn)尺寸均突破了衍射極限。這種通過(guò)優(yōu)化建模實(shí)現(xiàn)軸向多焦點(diǎn)透鏡的設(shè)計(jì)方法大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)透鏡中構(gòu)建軸向多焦點(diǎn)光場(chǎng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度[56-58]，并且通過(guò)精細(xì)復(fù)雜的光場(chǎng)調(diào)制可獲得遠(yuǎn)場(chǎng)甚至超遠(yuǎn)場(chǎng)處突破衍射極限的聚焦焦點(diǎn)。這種平面多焦點(diǎn)超振蕩透鏡在并行粒子操縱[59]方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖3 多焦點(diǎn)平面超振蕩透鏡聚焦性能優(yōu)化結(jié)果[55] Fig.3 The optimized results of focusing performance of planar multifocal SOLs[55]

圖4 平面超振蕩透鏡的普遍色散規(guī)律[60] Fig.4 The common dispersive rules of planar SOLs[60]

此外，受多焦點(diǎn)透鏡設(shè)計(jì)的啟發(fā)，本課題組就超振蕩透鏡的色散進(jìn)行了可控優(yōu)化。平面超振蕩透鏡作為一種衍射透鏡，其色散規(guī)律與傳統(tǒng)的衍射透鏡一致，即長(zhǎng)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)短焦距，如圖4(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。通過(guò)建立優(yōu)化控制模型，本課題組設(shè)計(jì)了一種色散可定制的平面超振蕩透鏡[60]，巧妙地將長(zhǎng)波長(zhǎng)的焦點(diǎn)設(shè)計(jì)在距離透鏡后表面最遠(yuǎn)距離處，將短波長(zhǎng)的焦點(diǎn)設(shè)計(jì)在距離透鏡后表面最近距離處，并通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)表征了所設(shè)計(jì)透鏡的聚焦性能，如圖5(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的色散定制型平面超振蕩透鏡聚焦性能設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，均在約12 000λ處獲得了超衍射極限的聚焦焦點(diǎn)。這種色散可定制超振蕩透鏡的設(shè)計(jì)為其在光通訊[61]、數(shù)字全息[62]、便攜式光纖光譜儀[63]等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。此外，這種設(shè)計(jì)思路為單個(gè)超振蕩透鏡實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)不同功能調(diào)制提供了參考。

2.3 超振蕩透鏡的視場(chǎng)及徑向光場(chǎng)控制

透鏡作為一種重要的成像工具，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，視場(chǎng)也是表征其性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。2018年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Rogers等人對(duì)超振蕩透鏡的視場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了討論[64]，他們指出：平面超振蕩透鏡的視場(chǎng)大小與透鏡的焦點(diǎn)尺寸有關(guān)，當(dāng)焦點(diǎn)尺寸被控制的極小時(shí)，往往伴隨著高能量的旁瓣，且這時(shí)旁瓣能量會(huì)大于主瓣的能量，這在實(shí)際應(yīng)用中是非常不利的。因此，通過(guò)優(yōu)化控制得到較低的旁瓣能量，從而擴(kuò)大超振蕩透鏡的視場(chǎng)是十分必要的。目前有兩種減小旁瓣能量的方式，一種是通過(guò)在共聚焦顯微成像光路中引入微小孔徑光闌，通過(guò)光闌將不需要的旁瓣能量過(guò)濾掉，從而實(shí)現(xiàn)主焦點(diǎn)的掃描成像。另一方面，也可在中心主焦點(diǎn)與第一旁瓣之間疊加多個(gè)強(qiáng)度為零的點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大超振蕩透鏡的視場(chǎng)[39,65]。需要注意的是，在所控制超振蕩透鏡的焦點(diǎn)盡可能小的同時(shí)要保證最大的光軸強(qiáng)度，使其在實(shí)際成像、高分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域中更好地發(fā)揮作用。

圖5 色散定制的平面超振蕩透鏡[60]. (a)消色差超振蕩透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm；(b)實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm； (c)焦平面實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm；(d)半高寬曲線實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm[60] Fig.5 The achromatic-customized planar SOLs[60]. (a)The optimized results of λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm; (b)experimental results of λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm; (c)experimentally registered intensity patterns in the transverse focal plane for λB=405 nm, for λG=532 nm, for λR=640 nm; (d)comparison of experimental and simulation results of the full width at half maximum(FWHM) for λB=405 nm, λG=532 nm and λR=640 nm[60]

任何事物都具有兩面性。高能量的旁瓣在精確合理的控制下也可作為一種面包圈光場(chǎng)在受激發(fā)射損耗成像[66-67]、粒子操縱[68]等領(lǐng)域產(chǎn)生有價(jià)值的應(yīng)用。研究人員通過(guò)將入射光偏振態(tài)改為角向偏振光或徑向偏振光[69-70]并通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)得到了突破衍射極限的面包圈光場(chǎng)，這種面包圈光場(chǎng)由于攜帶軌道角動(dòng)量，可對(duì)納米顆粒物進(jìn)行微機(jī)械操縱。不難發(fā)現(xiàn)，超振蕩透鏡在優(yōu)化約束的過(guò)程中焦點(diǎn)大小、旁瓣大小以及能量強(qiáng)度這3個(gè)因素屬于相互沖突、相互矛盾的關(guān)系。在超振蕩透鏡的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，應(yīng)權(quán)衡考量這三者的關(guān)系。

2.4 平面超振蕩透鏡的聚焦效率

超振蕩透鏡聚焦效率方面，現(xiàn)有的超振蕩透鏡主要有二元振幅型、二元相位型以及振幅和相位同時(shí)調(diào)制3種類型。2012年，英國(guó)南安普頓大學(xué)Rogers等利用標(biāo)量角譜理論設(shè)計(jì)出一種二元振幅型超振蕩透鏡，并借助共聚焦掃描成像方式實(shí)現(xiàn)了約λ/6的成像分辨率[38]，如圖6所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。該研究小組同時(shí)指出所研制的超振蕩透鏡焦點(diǎn)處光學(xué)效率的實(shí)測(cè)值約為10%。2016年，Yuan[71]等人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超振蕩現(xiàn)象在單光子激發(fā)狀態(tài)下同樣存在，成功驗(yàn)證了量子超振蕩效應(yīng)，如圖7(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示，但其本質(zhì)上仍為一種二元振幅型透鏡，其聚焦效率為16%?？梢钥吹?，獲取小于超振蕩標(biāo)準(zhǔn)的焦點(diǎn)尺寸是以犧牲聚焦焦斑能量強(qiáng)度為代價(jià)的，同時(shí)伴隨著高能量的旁瓣，極大地影響了透鏡的應(yīng)用。同年，新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉課題組設(shè)計(jì)了一種焦點(diǎn)尺寸介于超振蕩標(biāo)準(zhǔn)與瑞利衍射極限標(biāo)準(zhǔn)之間的二元振幅型超振蕩透鏡，并將其命名為超臨界透鏡[40]，如圖8(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征測(cè)得所設(shè)計(jì)透鏡的聚焦效率約為16.2%。不難看出，研究人員在設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)表征上實(shí)現(xiàn)了從平面超振蕩透鏡到平面超臨界透鏡的跨越，但都是基于二元振幅型透鏡設(shè)計(jì)的。這類平面超振蕩透鏡聚焦效率最高也僅為16%，對(duì)其在超分辨聚焦與成像、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn)。

圖6 (a)二元振幅型平面超振蕩透鏡的電鏡圖；(b)計(jì)算焦平面電場(chǎng)分布；(c)實(shí)測(cè)焦平面電場(chǎng)分布；(d)金屬薄膜上制備的納米孔；(e)傳統(tǒng)透鏡未能分辨的納米孔圖像；(f)經(jīng)超振蕩透鏡分辨的納米孔圖像[38] Fig.6 (a)Scanning electron microscope(SEM) image of the binary amplitude type planar SOLs; (b)electric field distribution of calculated focal plane of the SOLs; (c)electric field distribution of actual focal plane; (d)SEM image of a cluster of nanoholes in a metal film; (e)image of the cluster is not resolved with a conventional lens; (f)image of the cluster resolved by super-oscillatory lenses[38]

圖7 單光子的量子超振蕩。(a)觀察楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中的量子干涉現(xiàn)象；(b)一維超振蕩透鏡中的量子振蕩效應(yīng)；(c)一維超振蕩透鏡的電鏡圖[71] Fig.7 Quantum super-oscillation of single photon. (a)Observation of quantum interference in the Young double-slit experiment; (b)quantum super-oscillations of one-dimensional SOLs; (c)electron micrograph of the mask[71]

圖8 二元振幅型超臨界透鏡。(a)405 nm 超臨界透鏡構(gòu)型；(b)聚焦強(qiáng)度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比；(c)軸向電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果[40] Fig.8 The binary amplitude-type supercritical lens. (a)Configuration of the 405 nm supercritical lens; (b)comparison of the focusing intensity distributions between the simulated and experimental results; (c)axial measured intensity profile along the propagation distance[40]

為了減小振幅型超振蕩透鏡透過(guò)率低導(dǎo)致參與透鏡聚焦的能量大幅損失的問(wèn)題，研究人員又把目光轉(zhuǎn)向了相位型超振蕩器件。不同于平面二元金屬振幅型超振蕩透鏡，相位型超振蕩透鏡可通過(guò)對(duì)透光介質(zhì)進(jìn)行刻蝕產(chǎn)生相對(duì)相位差進(jìn)而對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制來(lái)獲得超振蕩聚焦焦斑。與振幅型透鏡相比，相位型超振蕩透鏡的優(yōu)點(diǎn)是可在保持相對(duì)較好的超分辨聚焦性能的同時(shí)又大幅提高了入射光場(chǎng)的能量利用率，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中更具優(yōu)勢(shì)。2014年，仇成偉課題組提出一種利用無(wú)優(yōu)化方式構(gòu)建二元相位掩模對(duì)線偏振和圓偏振光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)的超振蕩調(diào)制[64]，但在傳統(tǒng)光學(xué)材料上精確制備這種二元相位型平面透鏡存在較大的工藝挑戰(zhàn)。2015年，西安交通大學(xué)劉濤等人針對(duì)相位型超振蕩透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[72]，獲得了約為0.39λ的光斑尺寸，焦距為10.74 μm，結(jié)果表明：相位型超振蕩透鏡中心焦斑的強(qiáng)度是相同條件下振幅型超振蕩透鏡焦斑強(qiáng)度的5.8倍，但這一工作只停留在計(jì)算仿真階段。2016年，重慶大學(xué)陳剛課題組連續(xù)報(bào)道了兩個(gè)基于二值相位(0，π)的調(diào)控角偏振及圓偏振實(shí)現(xiàn)超振蕩聚焦的透鏡案例[73-74]，研究表明這類透鏡的聚焦效率最高約為40%[75-76]。然而因特征尺寸為亞波長(zhǎng)量級(jí)需要通過(guò)電子束曝光工藝完成透鏡制作，故存在高成本問(wèn)題。可以看到，現(xiàn)有的二元相位型平面超振蕩透鏡的聚焦效率最高僅為40%，為了更好地將這種透鏡推廣到實(shí)際應(yīng)用中，需開(kāi)展有關(guān)高聚焦效率的平面超振蕩透鏡的研究。

二維材料由于其可在原子層厚度的基底上獲得高折射率，逐漸成為光電研究領(lǐng)域的新寵，許多光學(xué)透鏡方向的研究組也逐漸對(duì)二維材料展開(kāi)研究。2016年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的一個(gè)研究組基于二硫化鉬這種二維材料，設(shè)計(jì)了世界上最小最薄的傳統(tǒng)折射式透鏡[77]。這項(xiàng)研究為二維材料與光學(xué)透鏡結(jié)合提供了解決思路。2018年，澳大利亞斯溫伯恩理工大學(xué)的研究人員聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員一起利用單層二硒化鎢設(shè)計(jì)并制備了一種二元振幅型平面超振蕩透鏡[78]，如圖9所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)，其聚焦效率為31%，較之前基于金屬薄膜材料的二元振幅型平面超振蕩透鏡的聚焦效率得到了大幅度提升。隨后，研究人員又對(duì)基于二維材料的平面超透鏡進(jìn)行了研究[79]，發(fā)現(xiàn)這種借助二維材料超薄厚度但折射率比傳統(tǒng)材料高的光學(xué)性質(zhì)可用來(lái)提高透鏡的聚焦效率。因此，未來(lái)可借助二維材料的高折射率及原子層厚度來(lái)設(shè)計(jì)制備高效率的相位型平面超振蕩透鏡。

圖9 二硒化鎢材料制成的振幅型平面超振蕩透鏡。(a)單層二硒化鎢透鏡的飛秒激光加工過(guò)程；(b)單層二硒化鎢晶體的吸收和光致發(fā)光譜；(c)制備的單層二硒化鎢透鏡的反射圖；(d)所制備透鏡的共焦拉曼圖；(e)制備的二硒化鎢透鏡的原子力顯微鏡圖；(f)入射光功率與線寬的函數(shù)關(guān)系[78] Fig.9 The amplitude-type SOL made from WSe2. (a)Schematic view of the femtosecond laser fabrication process of monolayer WSe2 lens; (b)absorption and photoluminescence spectra of the monolayer WSe2 crystal; (c)reflective optical microscopic image of a fabricated monolayer WSe2 lens; (d)confocal Raman microscopic intensity imaging of a fabricated monolayer WSe2 lens; (e)atomic force microscope(AFM) image of a fabricated monolayer WSe2 lens; (f)line width as a function of the incident laser power[78]

圖10 超聲超振蕩透鏡。 (a)傳統(tǒng)菲涅爾透鏡的聲場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算結(jié)果；(b)優(yōu)化設(shè)計(jì)的超振蕩聲學(xué)透鏡聲場(chǎng)強(qiáng)度分布；(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的菲涅爾透鏡聲場(chǎng)強(qiáng)度分布；(d)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的超振蕩透鏡聲場(chǎng)強(qiáng)度分布；(e)制備的超振蕩聲學(xué)透鏡[80] Fig.10 The ultrasonic SOLs. (a,b)Numerically calculated acoustic intensity fields by the conventional Fresnel zone plate (FZP) lens (left panel, a) and the optimized super-oscillatory acoustic lens (SOAL), (right panel, b); (c,d)experimentally measured acoustic intensity field radiated by the conventional FZP lens (left panel, c) and the optimized SOAL (right panel, d); (e)fabricated optimized SOAL with a single layer[80]

2.5 超振蕩透鏡工作譜段及帶寬

在透鏡的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，工作譜段和帶寬是在設(shè)計(jì)之初就必須直接考慮的參數(shù)，且它們尤為重要。常見(jiàn)的超振蕩透鏡主要是面向可見(jiàn)光波段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，隨著人工智能時(shí)代對(duì)光電器件的要求日益嚴(yán)苛，超振蕩透鏡的工作譜段也逐漸從可見(jiàn)光波段向近紅外、紅外甚至超聲波段及太赫茲波段發(fā)展。2018年，韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)研究院的科研人員設(shè)計(jì)了一種超聲超振蕩透鏡[80]，如圖10所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。所設(shè)計(jì)的超聲超振蕩透鏡在水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為1 MHz的超聲波聚焦。這項(xiàng)研究為超振蕩透鏡在聲學(xué)顯微鏡中的應(yīng)用提供了可能。隨著研究的深入，平面超振蕩透鏡的設(shè)計(jì)將面向近紅外、紅外波段的應(yīng)用，在這些波段，透鏡的線寬將不再是數(shù)百納米。這種大線寬的特征尺寸將會(huì)為這類透鏡的批量化、低成本制備提供有利條件。

同年，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究組設(shè)計(jì)了一種工作在太赫茲波段的平面超振蕩透鏡[81]，如圖11(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示，所設(shè)計(jì)的平面超振蕩透鏡基本構(gòu)成單元為六角形晶胞單元，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了0.46λ的聚焦焦斑。這種設(shè)計(jì)可為太赫茲波段超分辨成像提供更多的可能性。

圖11 太赫茲波段的超振蕩透鏡。 (a)六邊形單元幾何參數(shù)；晶胞單元的透射系數(shù)歸一化的強(qiáng)度(b)和相位(c)分布；透鏡的整體效果(d)及局部放大效果圖(e)；(f，g)晶胞單元的奇數(shù)偶數(shù)區(qū)域；(h)所設(shè)計(jì)的圓柱透鏡的晶胞單元分布[81] Fig.11 The SOLs at the Terahertz wavelengths. (a) Hexagonal unit cell proposed along with its geometrical parameters; (b)normalized magnitude and (c)phase (in radians) maps of the transmission coefficient of the unit cell as a function of the parameter α and frequency; (d)full metalens schematic and (e) zoomed view of the metalens central zones; (f,g)unit cells of the even and odd zones, respectively; (h)unit cell distribution of the designed cylindrical lens[81]

從2009年提出超振蕩透鏡的概念以來(lái)，現(xiàn)有的平面超振蕩透鏡主要是面向可見(jiàn)光波段中的某個(gè)單一波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。與傳統(tǒng)透鏡一樣，這種透鏡也面臨著色散問(wèn)題。2015年，英國(guó)南安普頓大學(xué)Zheludev課題組通過(guò)焦深重疊的辦法設(shè)計(jì)了一種可在三波長(zhǎng)入射下同時(shí)工作的消色差平面超振蕩透鏡[82]，如圖12所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)，但這種方法只是通過(guò)設(shè)計(jì)重疊區(qū)域強(qiáng)制使若干波長(zhǎng)在需要的工作距離處得到消色差聚焦。2018年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的羅先剛課題組借鑒超表面結(jié)構(gòu)單元在寬波段下能夠響應(yīng)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于Pancharatnam-Berry相位的寬波段超振蕩超表面透鏡[83]，并搭建了成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)透鏡的寬波段成像效果，但這種透鏡的構(gòu)成單元仍為亞波長(zhǎng)尺寸，在大尺寸、低成本推廣方面仍存在挑戰(zhàn)。為了更快速、有效地設(shè)計(jì)一種大尺寸、可批量化制備的消色差平面超振蕩透鏡，本課題組也建立了一種多目標(biāo)無(wú)約束優(yōu)化模型直接對(duì)三波長(zhǎng)入射的平面超振蕩透鏡進(jìn)行了控制設(shè)計(jì)，并開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)表征[60]，如圖14所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的3個(gè)波長(zhǎng)在同一焦距處實(shí)現(xiàn)了消色差的聚焦，且焦點(diǎn)均在12 000λ的超遠(yuǎn)場(chǎng)處突破了衍射極限。與此同時(shí)，為了驗(yàn)證算法的有效性，還設(shè)計(jì)了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)5個(gè)波長(zhǎng)消色差的平面超振蕩透鏡，并得到了預(yù)期的效果，如圖15所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。這種方法為更多波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)消色差提供了可能性。

圖12 利用焦深重疊辦法實(shí)現(xiàn)的消色差超振蕩透鏡。 (a)消色差超振蕩透鏡在3個(gè)波長(zhǎng)處聚焦，紅(λR=633 nm)，綠(λG=532 nm)，藍(lán)(λB=405 nm)；(b)制備的超振蕩透鏡的電鏡圖；透鏡在xz面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布(c)仿真及(d)實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果；(e)橫向焦平面的電場(chǎng)強(qiáng)度圖(從上至下分別為對(duì)應(yīng)λB、λG、λR及3個(gè)波長(zhǎng)合成的結(jié)果)[82] Fig.12 The achromatic SOLs achieved through the focal depths overlapped. (a)Apochromatic SOL focuses simultaneously at three different wavelengths, red(λR=633 nm), green(λG=532 nm), and blue(λB=405 nm); (b)SEM micrograph of the fabricated mask with diameter of 40 μm, and working distance of 10 μm; simulated (c) and experimental (d) diffraction patterns in the xz cross-section; (e)experimentally registered intensity patterns in the transverse focal plane(from top to bottom are for λB, λG, λR, and for RGB wavelengths by simultaneously switching on the three channels)[82]

圖13 基于P-B相位的連續(xù)寬波段超振蕩超透鏡。(a)實(shí)驗(yàn)裝置圖；(b)制備的超表面結(jié)構(gòu)；(c)衍射受限的直徑為20 μm的納米孔成像效果；(d)直徑為20 μm的納米孔超振蕩成像效果[83] Fig.13 Continuous broadband SOLs based on P-B phase. (a)Schematic of experimental setup; (b)proposed metasurface; (c)diffraction-limited image of a hole with a diameter of 20 μm; (d)superoscillatory image of a hole with a diameter of 20 μm[83]

圖14 通過(guò)優(yōu)化方法直接設(shè)計(jì)的消色差超振蕩透鏡.(a)消色差超振蕩透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm；(b)實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm； (c)焦平面實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm及三通道擬合結(jié)果；(d)半高寬曲線實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比：λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm[60] Fig.14 The achromatic SOLs designed by optimization. (a)The optimized results of λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm; (b)the experimental results of λB=405 nm, λG=532 nm, λR=640 nm; (c)experimentally registered intensity patterns in the transverse focal plane for λB=405 nm, for λG=532 nm, for λR=640 nm, and for RGB wavelengths by simultaneously switching on the three channels; (d)comparison of experimental and simulation results of the full width at half maximum(FWHM) for λB=405 nm, λG=532 nm and λR=640 nm[60]

圖15 五波長(zhǎng)消色差超振蕩透鏡。 (a)消色差超振蕩透鏡相位分布；XZ面電場(chǎng)分布(b)λ1=405 nm；(c)λ2=450 nm, (d)λ3=485 nm；(e)λ4=532 nm;(f)λ5=640 nm Fig.15 Achromatic SOLs for five wavelengths. (a)The phase distribution of the achromatic SOLs; the electric field contours in the XZ cross-section at (b)λ1=405 nm; (c)λ2=450 nm; (d)λ3=485 nm; (e)λ4=532 nm; and (f)λ5=640 nm

圖16 復(fù)合菲涅爾多層消色差透鏡。(a)透鏡的藝術(shù)效果圖；(b)多層結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖；(c～e)單層透鏡的暗場(chǎng)圖，不同元素根據(jù)紅，綠，藍(lán)3個(gè)顏色設(shè)計(jì)的；(f)三層透鏡的明場(chǎng)透射圖；(g)白光照明的光譜圖及焦點(diǎn)強(qiáng)度分布[84] Fig.16 Composite multilayered achromatic Fresnel lens. (a)Artist′s view of the three-layer lens; (b)schematic illustration of the layered structure; (c～e)dark-field images of the single-layer lens elements. The different elements are designed to focus red, green or blue to 1 mm focal distance along the optical axis(scale bar, 35 mm); (f)bright-field transmission image of the three-layer lens; (g)spectrum taken under white light illumination at the focal spot, revealing the RGB components[84]

連續(xù)寬波段聚焦將成為平面超振蕩透鏡設(shè)計(jì)優(yōu)化的一大趨勢(shì)。除了在算法上進(jìn)行多波長(zhǎng)設(shè)計(jì)之外，通過(guò)多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)也是一個(gè)新興方向。多層結(jié)構(gòu)較原有的單層結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)參數(shù)上具有更大的自由度，并可在結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)化目標(biāo)兩方面同時(shí)做改進(jìn)。2017年，以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員提出了一種組合菲涅爾透鏡的方法以實(shí)現(xiàn)三波長(zhǎng)消色差的設(shè)計(jì)[84]，如圖16所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)，通過(guò)材料對(duì)波長(zhǎng)的選擇特性，實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的光聚焦。2018年，美國(guó)范德堡大學(xué)的研究人員提出一種考慮透鏡間無(wú)串?dāng)_的多層消色差透鏡[85]，如圖17所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)，通過(guò)將前一層透鏡的出射光場(chǎng)作為下一層結(jié)構(gòu)的入射光場(chǎng)，并結(jié)合菲涅爾衍射理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)消色差超表面的設(shè)計(jì)，這種方法為多層平面超振蕩透鏡實(shí)現(xiàn)寬波段聚焦提供了新思路。

圖17 多層無(wú)串?dāng)_消色差超透鏡。(a)加工工藝步驟流程圖；(b)旋涂PDMS之前的硅納米柱的掃描電鏡圖；(c)定位雙層透鏡的光學(xué)顯微鏡圖像；(d)雙層結(jié)構(gòu)定位用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記顯微圖像；(e)兩種波長(zhǎng)下，當(dāng)定位誤差δ分別為1、3、6 μm時(shí)的仿真軸向強(qiáng)度圖[85] Fig.17 Non-crosstalk multilayered achromatic SOL. (a)Schematic of the fabrication steps; (b)SEM of Si nanoposts before polydimethylsiloxane (PDMS) spin coating; (c)optical microscope image of the aligned metalens doublet; (d)optical microscope (20× objective) image of the alignment marks from the two layers along with a schematic of cross section; (e)simulated axial intensity profiles of the metalens doublet with the misalignment δ of 1, 3 and 6 μm at the two wavelengths[85]

3 平面超振蕩透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

超振蕩透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)，最早是基于標(biāo)量衍射理論對(duì)超分辨光瞳濾波器進(jìn)行研究的[86-87]。2006年，英國(guó)布里斯托大學(xué)的Berry等人[35]經(jīng)過(guò)一系列的理論推導(dǎo)并從頻域角度進(jìn)行分析，借助光學(xué)微納結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸光場(chǎng)的干涉現(xiàn)象精密調(diào)制，在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了超越衍射極限的光學(xué)聚焦焦斑。2009年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Zheludev研究團(tuán)隊(duì)[37]提出了基于有限帶寬函數(shù)的超振蕩光場(chǎng)構(gòu)建方法，采用正交橢圓球面函數(shù)集的帶寬有限特性和局域展開(kāi)特性，定義出需要的超分辨光場(chǎng)分布，從而逆推透鏡的透射函數(shù)。這種方法設(shè)計(jì)出的透鏡相位分布具有負(fù)透鏡特征，與傳統(tǒng)聚焦成像器件存在較大差異。

由于超振蕩透鏡本質(zhì)上是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件，其聚焦特性完全可通過(guò)各種衍射理論和優(yōu)化算法，對(duì)各同心環(huán)帶的位置和寬度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的衍射理論主要包括標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論。對(duì)于低數(shù)值孔徑的平面透鏡，可采用標(biāo)量衍射理論來(lái)對(duì)透鏡后表面的衍射場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算。然而，標(biāo)量衍射理論忽略了入射光的偏振特性，其聚焦光場(chǎng)也無(wú)法體現(xiàn)出電場(chǎng)的偏振特性。但在實(shí)際傳播過(guò)程中，透鏡后光場(chǎng)分布可根據(jù)入射光偏振態(tài)的變化而發(fā)生改變，尤其對(duì)于高數(shù)值孔徑透鏡，標(biāo)量衍射理論已經(jīng)在很多文獻(xiàn)報(bào)道中證明不再適用[88-90]。目前，平面超振蕩透鏡的結(jié)構(gòu)主要分最優(yōu)化算法和無(wú)優(yōu)化直接計(jì)算兩種方式。2012年，N. I. Zheludev研究團(tuán)隊(duì)首次在角譜理論框架下用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了一種直徑為40 μm、焦距為10.3 μm的二元振幅型超振蕩透鏡[38]，并對(duì)其成像性能進(jìn)行了表征。接著，研究人員用粒子群優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了一系列平面超振蕩透鏡并進(jìn)行了相關(guān)性能表征[43,82,91]，獲得了與設(shè)計(jì)相匹配的結(jié)果，但存在設(shè)計(jì)方法復(fù)雜的問(wèn)題。2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉濤等人以徑向偏振光作為入射光源，以折射率n=1.515的松柏油作為出射介質(zhì)，利用矢量衍射理論和遺傳算法對(duì)振幅型超振蕩掩模進(jìn)行優(yōu)化[33]。該方法將超振蕩透鏡的研究推廣到矢量領(lǐng)域，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中未能實(shí)現(xiàn)對(duì)焦距和焦深等參數(shù)的有效控制。為了更好地利用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)超振蕩透鏡后聚焦光場(chǎng)的調(diào)制，本課題組先后建立了多目標(biāo)多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)模型對(duì)平面超振蕩透鏡后光針[49]以及多焦點(diǎn)[55]光場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2、圖3所示。然而，這種多目標(biāo)多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)模型存在收斂速度慢且常常出現(xiàn)結(jié)果發(fā)散的情況。2018年，本課題組在原有多目標(biāo)多約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出了一種多目標(biāo)無(wú)約束的超振蕩透鏡光場(chǎng)可控通用優(yōu)化模型，通過(guò)引入懲罰函數(shù)項(xiàng)將約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題[60]，所建立的光場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)通用模型可對(duì)平面超振蕩透鏡后表面光場(chǎng)進(jìn)行靈活可控設(shè)計(jì)。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，平面超振蕩透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)有望與機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合，以期高效、快速地完成多目標(biāo)優(yōu)化中大尺寸、多功能平面超振蕩透鏡的設(shè)計(jì)。

4 平面超振蕩透鏡的制備工藝進(jìn)展

超振蕩透鏡的結(jié)構(gòu)形式從2007年最早的Penrose準(zhǔn)周期納米孔結(jié)構(gòu)發(fā)展到目前常見(jiàn)的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了亞波長(zhǎng)單元特征尺寸到若干倍亞波長(zhǎng)特征尺寸的變化，隨之而來(lái)的是加工工藝也發(fā)生了改變，其發(fā)展歷程如圖18所示。可以看到，現(xiàn)有的平面超振蕩透鏡主要是基于聚焦離子束刻蝕[32,36,38,82,92-93]和電子束曝光[70,71,94-95]工藝制備的，存在加工成本高、耗時(shí)且難以實(shí)現(xiàn)大尺寸平面超振蕩透鏡的制作。

圖18 平面超振蕩透鏡加工工藝發(fā)展過(guò)程[60] Fig.18 Development process of the fabrication process on planar SOLs[60]

隨著集成電路制造技術(shù)及微納加工工藝的發(fā)展，平面超振蕩透鏡的并行制作工藝也逐漸成為主流發(fā)展趨勢(shì)。2017年，新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉課題組將平面超振蕩透鏡的特征尺寸提高到1.2 μm，替代了之前的亞波長(zhǎng)特征尺寸的平面超振蕩透鏡。然而，這種基于深紫外光刻工藝制備的平面超振蕩透鏡的直徑僅為數(shù)百微米，與現(xiàn)有成熟的光學(xué)元器件集成存在挑戰(zhàn)。2018年，南京信息科技大學(xué)NI H B等人[96]提出利用激光直寫工藝實(shí)現(xiàn)非亞波長(zhǎng)特征尺寸平面超振蕩透鏡的制備，但這種工藝制備大尺寸平面超振蕩透鏡時(shí)需利用拼接的辦法實(shí)現(xiàn)，存在較大的定位誤差。2018年，本課題組設(shè)計(jì)了最小線寬為30 μm、直徑為12 mm的平面超振蕩透鏡，針對(duì)這種介質(zhì)型超振蕩透鏡提出了一套基于傳統(tǒng)光刻工藝的圓片級(jí)制備流程，如圖19所示，所制備的圓片級(jí)平面超振蕩透鏡如圖20所示，其實(shí)驗(yàn)表征與仿真較為一致。

圖19 平面超振蕩透鏡圓片級(jí)制備工藝[60] Fig.19 Wafer-level fabrication process of planar SOLs[60]

圖20 圓片級(jí)平面超振蕩透鏡加工結(jié)果[60] Fig.20 Fabrication results of wafer-level planar SOLs[60]

5 平面超振蕩透鏡的應(yīng)用研究進(jìn)展

超振蕩透鏡應(yīng)用方面，主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)非標(biāo)記超分辨顯微成像、超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩大領(lǐng)域?，F(xiàn)有的平面超振蕩透鏡的成像方式主要是借助共聚焦顯微成像平臺(tái)實(shí)現(xiàn)掃描成像的方式，最具代表性的是2012年英國(guó)南安普頓大學(xué)Zheleduv研究團(tuán)隊(duì)的工作，他們?cè)诟难b后的尼康共聚焦顯微成像系統(tǒng)上對(duì)直徑為40 μm、焦距為10.6 μm的平面超振蕩透鏡進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了油浸環(huán)境下λ/6的超衍射極限分辨率成像[38]，但這種成像存在焦深短的問(wèn)題。2017年，仇成偉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了短波長(zhǎng)入射下焦斑沿光軸方向穩(wěn)定保持亞波長(zhǎng)特性達(dá)12λ的光針?lè)植嫉钠矫娉袷幫哥R，并結(jié)合共聚焦成像原理，搭建了基于405 nm振幅型平面超振蕩透鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨顯微成像系統(tǒng)[40]。通過(guò)樣品掃描的方式，在空氣中獲得純光學(xué)65 nm的分辨率遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像效果。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)介于超振蕩標(biāo)準(zhǔn)與超臨界標(biāo)準(zhǔn)之間，使得透鏡具有低旁瓣的優(yōu)勢(shì)，具有較高的信噪比，如圖21所示。

圖21 利用平面超振蕩透鏡對(duì)變高度物體三維成像結(jié)果。(a)由矩形孔陣列形成的三維漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)草圖；(b)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；(c～e)通過(guò)透射模式顯微鏡，激光掃描共聚焦顯微鏡及超振蕩顯微鏡分別對(duì)三維漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成像效果圖[40] Fig.21 Three-dimentional imaging of the varying height object through planar SOLs. (a)Sketch of a 3D fishnet wedge composed of etched array of rectangular holes; (b)top-view (x-y plane) SEM image of the fishnet wedge. (c～e)the imaging results of this wedge by transmission mode microscopy(T-mode), laser scanning confocal microscopy (LSCM), and SCL microscopy[40]

圖22 平面超振蕩透鏡高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。(a)利用超振蕩透鏡光針實(shí)現(xiàn)熱輔助磁記錄的工作原理；二元光針超振蕩透鏡分別在(b)空氣，(c)SiO2，(d)GaP介質(zhì)中的徑向透過(guò)率分布[97]；(e)身份識(shí)別系統(tǒng)概念說(shuō)明圖[98] Fig.22 High density data storage based on SOLs. (a)Working principle of heat assisted magnetic recording(HAMR) realized by optical needle SOL, the radial transmittance distribution of the binary optical needle SOL mask design for air, SiO2 and GaP is given in (b), (c) and (d) respectively[97]. The transparent areas are white while the opaque areas are black; (e)illustration for identity verification[98]

在超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，2014年，新加坡南洋理工大學(xué)和英國(guó)南安普頓大學(xué)共同提出一種基于超振蕩透鏡的熱輔助磁性寫入技術(shù)[97]，如圖22(a)～22(d)所示。為了降低旁瓣，該超振蕩聚焦透鏡采用了超振蕩光針設(shè)計(jì)的辦法。該透鏡的等效數(shù)值孔徑達(dá)到了4.17，對(duì)波長(zhǎng)為473 nm的圓偏振光進(jìn)行聚焦。2017年，新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉團(tuán)隊(duì)又提出一種通過(guò)在三維空間形成超分辨焦點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)光誘導(dǎo)磁全息的辦法[98]，如圖22(e)所示，擬通過(guò)這種方法提高單位體積內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。2018年，該課題組又提出將平面超振蕩透鏡用于高分辨振動(dòng)成像[99]，借助反斯托克斯拉曼散射顯微鏡對(duì)生物樣品進(jìn)行成像，分別在軸向及徑向獲得了較高的分辨率，如圖23所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。

圖23 基于超振蕩透鏡的反斯托克斯成像。(a)用于振動(dòng)成像的超臨界聚焦相干反斯托克斯拉曼散射顯微平臺(tái)示意圖；(b)牙齒在XY平面上的相干反斯托克斯圖像[99] Fig.23 Anti-stokes imaging based on SOLs. (a)Schematic diagram of the supercritical focusing coherent anti-Stokes Raman scattering(SCF-CARS) microscopy platform for vibrational imaging; (b)CARS image of the tooth in x-y plane[99]

本課題組研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論將平面超振蕩透鏡應(yīng)用于超分辨遠(yuǎn)場(chǎng)非標(biāo)記顯微成像還是高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，都是借助其高度可控的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)定制能力實(shí)現(xiàn)的。未來(lái)，可將超振蕩透鏡光場(chǎng)定制與實(shí)際應(yīng)用需求相結(jié)合，對(duì)平面超振蕩透鏡陣列中的透鏡單元進(jìn)行光場(chǎng)差異化定制。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)平面超振蕩透鏡進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了一些突破性成果，但還有很多問(wèn)題未能解決。平面超振蕩透鏡的焦點(diǎn)尺寸經(jīng)歷了最初定義的超振蕩標(biāo)準(zhǔn)(0.38λ/NA)到為了減小旁瓣、增大焦深的超臨界標(biāo)準(zhǔn)(焦點(diǎn)尺寸介于0.38λ/NA與瑞利衍射標(biāo)準(zhǔn)之間)的變化。為了將平面超振蕩透鏡更好地向?qū)嶋H應(yīng)用方面推廣，科學(xué)家們也做出了各種努力。在平面超振蕩透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有的平面超振蕩透鏡主要基于最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行約束優(yōu)化，從而獲得需要的光場(chǎng)分布，這使得實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中存在迭代計(jì)算效率低、結(jié)果發(fā)散且難以對(duì)平面超振蕩透鏡后表面光場(chǎng)進(jìn)行靈活控制等問(wèn)題。在超振蕩透鏡的聚焦效率方面，現(xiàn)有的平面超振蕩透鏡主要為二元振幅型、二元相位型以及二元振幅相位型3種，其中二元振幅型的聚焦效率最高僅為16%，降低了其在超分辨遠(yuǎn)場(chǎng)顯微成像中的目標(biāo)圖像強(qiáng)度。二元相位型平面超振蕩透鏡通過(guò)在透明介質(zhì)材料上刻蝕一些環(huán)帶，有效提高了這類透鏡的聚焦效率，然而經(jīng)驗(yàn)表明，二元相位型平面超振蕩透鏡的聚焦效率最高也僅為40%。因此，為了更大程度地提高這類透鏡對(duì)光的能量集中率，需要研制更高效率的平面超振蕩透鏡。在平面超振蕩透鏡制備方面，最早是基于亞波長(zhǎng)特征尺寸的環(huán)帶，利用聚焦離子束或電子束曝光等技術(shù)進(jìn)行加工的，這類加工工藝存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、無(wú)法制作大尺寸平面超振蕩透鏡的問(wèn)題。接著，研究人員又將平面超振蕩透鏡的特征尺寸提高到了非亞波長(zhǎng)量級(jí)，分別用深紫外加工設(shè)備和激光直寫設(shè)備對(duì)數(shù)百微米的平面超振蕩透鏡進(jìn)行了加工，然而這類制備工藝在對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義時(shí)需要采用拼接的辦法，對(duì)準(zhǔn)精度較低，給大尺寸乃至圓片級(jí)平面超振蕩透鏡的研制帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在平面超振蕩透鏡的應(yīng)用方面，以超分辨遠(yuǎn)場(chǎng)非標(biāo)記顯微成像、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)這兩類應(yīng)用為代表。受超振蕩透鏡成像原理的限制，在超分辨遠(yuǎn)場(chǎng)非標(biāo)記顯微成像領(lǐng)域的研究中，都是結(jié)合共聚焦顯微成像系統(tǒng)，通過(guò)掃描拼接對(duì)特定物體進(jìn)行成像的，這需要對(duì)現(xiàn)有的共聚焦成像系統(tǒng)進(jìn)行改裝才能完成，另外實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有工作條件要求較高且成像需要掃描過(guò)程才能完成，因此后續(xù)需要對(duì)平面超振蕩透鏡的新的可能應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行挖掘。

6 未來(lái)發(fā)展方向展望

平面超振蕩透鏡因其在集成化、批量化制備方面以及遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，受到平面衍射光學(xué)及微納光學(xué)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。當(dāng)前平面超振蕩透鏡面臨從優(yōu)化設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從性能提升到應(yīng)用場(chǎng)景上仍存在改進(jìn)空間。

6.1 高聚焦效率的平面超振蕩透鏡

現(xiàn)有平面超振蕩透鏡無(wú)論是二元振幅型還是二元相位型都是基于二元衍射結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，已報(bào)到的平面超振蕩透鏡的聚焦效率最高也僅為40.6%。因此，提高平面超振蕩透鏡的聚焦效率具有十分重要的意義。通過(guò)增加現(xiàn)有透鏡的相位水平可提高透鏡的聚焦效率，與光學(xué)超表面結(jié)構(gòu)[100-103]類似，將二元相位型平面超振蕩透鏡設(shè)計(jì)成多相位水平甚至是連續(xù)相位水平也可顯著提高透鏡的聚焦效率。另一方面，從材料的性質(zhì)入手，研制基于二維材料的高效率平面超振蕩透鏡也是一種可能的解決方案。

6.2 色散可調(diào)制的平面超振蕩透鏡

與傳統(tǒng)透鏡類似，平面超振蕩透鏡也面臨色散問(wèn)題，利用平面超振蕩透鏡光場(chǎng)可任意定制這一特性，開(kāi)發(fā)寬波段消色差平面超振蕩透鏡以及色散定制的分光元件都是可行的。通過(guò)多層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)或改進(jìn)多目標(biāo)優(yōu)化算法為連續(xù)寬波段聚焦提供了可能性。另一方面，基于平面超振蕩透鏡研制的色散可定制的分光元件在微型光譜成像儀、便攜式生物成像光譜儀等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

6.3 平面超振蕩透鏡用于芯片級(jí)顯微成像系統(tǒng)

現(xiàn)有的平面超振蕩透鏡的應(yīng)用主要集中于遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨非標(biāo)記顯微成像、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域，而這兩種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)條件有一定的要求，且發(fā)展已較為成熟。通過(guò)改進(jìn)平面超振蕩透鏡的視場(chǎng)以及聚焦效率，將平面超振蕩透鏡陣列用于提供超分辨點(diǎn)陣，從而實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)超分辨成像也是一種可能的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，利用超振蕩透鏡優(yōu)越的光場(chǎng)可控性，可以實(shí)現(xiàn)不同陣列單元中光場(chǎng)的差異化定制，從而對(duì)特定樣本進(jìn)行成像。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)概述了平面超振蕩透鏡在實(shí)際應(yīng)用方面需要考慮的如焦深、視場(chǎng)、聚焦效率、工作波長(zhǎng)等性能參數(shù)的演變過(guò)程，并在該過(guò)程中對(duì)本課題組在相關(guān)方面所做的研究進(jìn)行了討論，在此基礎(chǔ)上對(duì)平面超振蕩透鏡實(shí)際應(yīng)用性能需要改進(jìn)之處提出了解決思路。接著，探討了平面超振蕩透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及制備工藝進(jìn)展，總結(jié)了目前存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)。最后，對(duì)平面超振蕩透鏡目前的應(yīng)用情況進(jìn)行了分類歸納，在此基礎(chǔ)上提出了未來(lái)的可能發(fā)展方向。

縱觀超振蕩透鏡從概念提出到走向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展歷程，每一次性能參數(shù)的升級(jí)優(yōu)化都是便于其更好地服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用而進(jìn)行的。放眼未來(lái)，平面超振蕩透鏡將在光場(chǎng)可控定制、低成本批量化制備、芯片級(jí)顯微成像系統(tǒng)幾大方面得到更為密切的關(guān)注。而且注意到，由于平面超振蕩透鏡獨(dú)特的成像機(jī)制，如何更好地發(fā)揮其在超分辨成像系統(tǒng)中的作用值得更深入的思考，與此同時(shí)，需要考慮平面超振蕩透鏡的像差消除問(wèn)題。