超构表面透镜在生物医学成像领域应用

超构表面透镜在生物医学成像领域应用报告提纲背景及意义研究方法及成果加工及制备方法生物医学领域应用展望一二三四一超构表面透镜定义：将具有特殊电磁特性的纳米柱结构单元按照一定方式进行排列的二维平面结构。研究背景及意义结构参数在亚波长量级，厚度仅有几微米。可以作为一种平面元件与芯片集成。功能集成化单一器件即可实现消色差/大数值孔径/多焦点等功能一相比于传统光学镜头，超构表面透镜的优点：厚度轻量化 系统芯片化研究背景及意义一研究背景及意义二研究方法及成果二研究方法及成果超构表面透镜设计基本原理：设计单元构型，多种结构单元集合构建为完整的超构表面超构表面透镜工作机理波导结构共振相位交叉极化相位（几何相位）几何相位中光偏振态的分布—庞加莱球表示法LCP入射RCP出射二研究方法及成果二研究方法及成果超构表面透镜聚焦原理按照一定的排列方式将不同构型的单元结构置于超构表面透镜所在平面超构表面置于XY轴所构平面XY面上一点距离焦点f距离L可以表述为：由距离L可以确定光传播过程中产生的相位变化为：由此得到在f点产生干涉增强所需相位调制：二研究方法及成果二超构表面透镜功能1——多通道消色差对于同一焦距f，不同波长的光聚焦所需求的相位φ并不相同，并且随着几何尺寸的增加差距逐渐增加改变超构透镜形状的设计可以获得对应色散关系的单元结构多波长共焦点出射波前相位分布差（以400nm为参考）研究方法及成果二超构表面透镜功能2——宽带消色差在宽波段消色差的设计中，超构表面单元需要满足波长-相位的线性连续关系才能实现消色差，边缘陡度几何级数变化，见上右图中x轴对应截面消色散相位关系曲线研究方法及成果二多通道超构表面透镜其他设计方法：DOI:

10.1038/srep32803复合结构超构表面双通道共焦点DOI:

10.1038/ncomms14992多重超构表面三通道共焦点研究方法及成果二大口径RGB共焦点超透镜DOI:10.1126/sciadv.abe4458

（2021）目前口径最大的RGB三通道共焦点设计（直径2mm）分辨率接近衍射极限数值孔径较大（0.7）研究方法及成果国外研发成果二/10.1515/nanoph-2020-0550（2020）可见光可见 近红外d=0.2μm,p=0.4μm,h+t=1μm研究方法及成果国外研发成果 可见-近红外宽带消色散超透镜首次实现可见-近红外的超宽波段消色散超构表面数值孔径极小（NA0.04@φ200微米NA.26@φ20微米）聚焦效率较低（平均28%@φ200微米和44@φ20微米）二DOI:

10.1038/s41565-017-0034-6研究方法及成果国内研发成果 超构透镜宽带消色散阵列将直径在几十微米-几百微米的微透镜通过阵列拼接成像非直接成像，将数据通过算法计算成像二DOI:

10.1021/acs.nanolett.8b01570（2018）数值孔径极大（NA0.98@空气；NA1.512@油浸）工作效率约为67%（同类工作中最高）透镜直径为1mm，应用于共聚焦成像研究方法及成果国内研发成果大数值孔径超透镜研究团队材料工作波段（nm）成像效率（%）数值孔径AMSsensors公司TiO2532501.1(ng=1.52)哈佛大学TiO2405/532/66086,73,660.8(air)南洋理工a-Si715350.99(air)港科大p-Si500380.43(air)加州理工a-Si1550420.97(air)南京大学GaN400-600400.106（air）中山大学c-Si532670.98(air)波士顿大学TiO2640-1200700.1二研究方法及成果加工工艺以及制备三超构透镜加工工艺流程：加工工艺以及制备三超构透镜制备：激光直写紫外激光无掩模曝光技术紫外光刻技术加工工艺以及制备三超构透镜制备：聚焦离子束刻蚀离子束轰击样品进行物理刻蚀经偏转、聚焦装置将离子束聚焦于样品E×B质量分析器筛选出特定离子静电校准后经过静电透镜聚焦液态金属离子源外加电场导出离子束加工工艺以及制备三超构透镜制备：纳米压印制作压印模板对样品涂胶通过模板对光刻胶进行热塑压印冷却固化光刻胶、去除模板反应离子束刻蚀完成加工三加工工艺以及制备四国外进展：超表面OCT内窥镜DOI:10.1038/s41566-018-0224-2

（2018）生物医学领域相关应用工作距离WD = 0.5 mmH = 750 

S = 400 nm四国内进展：复合设计涡旋光超透镜应用于双光子STED显微成像DOI:

10.1364/OE.416698（2021）生物医学领域相关应用国内进展：超构透镜内窥成像系统四生物医学领域相关应用/10.1364/PRJ.406197（2021）四生物医学领域相关应用苏州医工所：攻克显微物镜多参数协同设计及数字化精密制造技术光学显微系统核心部件，自主研发三系列物镜技术指标达到国际先进水平，实现国产替代大NA显微物镜（NA1.45）日本Olympus本项目成果数值孔径NA：1.45放大倍率：100物方视场：400μm数值孔径NA：1.45放大倍率：100物方视场：400μm宽光谱显微物镜（NA0.72）日本Olympus本项目成果数值孔径NA：0.7放大倍率：20物方视场：1.25mm数值孔径NA：0.72放大倍率：20物方视场：1.25mm大视场高分辨显微物镜（NA0.5）英国Mesolens本项目成果数值孔径NA：0.47放大倍率：5物方视场：6mm数值孔径NA：0.5放大倍率：5物方视场：6mm苏州医工所：近红外变焦超构表面透镜设计基于超构透镜的相位传输理论，结合微波相控阵天线理论设计实现的电控变焦超透镜;基于半导体硅的载流子浓度与电压的线性调控能力间接调控材料折射率；以法帕腔的相位再分配能力调制输出相位，实现0-2π的相位调制。该设计可以结合电子学元件实现电调制高分辨变焦成像能力。四 生物医学领域相关应用四结束语超构表面透镜在光学显微成像及生物医用光学领域具有特别的价值因其特有的超薄尺度可有效减小光学系统的体积，有助于实现大型检测系统的便携化、微型化及可穿戴化对于医学检测设