在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，成像技術(shù)已成為推動(dòng)多領(lǐng)域進(jìn)步的關(guān)鍵力量。從醫(yī)學(xué)診斷到科學(xué)研究，從工業(yè)檢測(cè)到材料分析，高質(zhì)量的成像工具是不可或缺的。然而，傳統(tǒng)成像技術(shù)在面對(duì)復(fù)雜樣本和多模態(tài)需求時(shí)，往往顯得力不從心。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)細(xì)胞和組織的高分辨率成像需要同時(shí)捕捉明場(chǎng)和邊緣細(xì)節(jié)，而傳統(tǒng)設(shè)備難以兼顧。此外，不同波長(zhǎng)的光在成像中的串?dāng)_問題也嚴(yán)重影響了成像質(zhì)量。近年來，超構(gòu)透鏡的研究為成像技術(shù)帶來了新的希望。超構(gòu)透鏡通過亞波長(zhǎng)單元的精確設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件無法達(dá)到的功能。非局域惠更斯超構(gòu)透鏡作為一種新興技術(shù)，以其高質(zhì)量因數(shù)、高效偏振轉(zhuǎn)換和波長(zhǎng)選擇性等優(yōu)勢(shì)，為多模態(tài)成像提供了全新的解決方案。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限性
傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)主要依賴于折射透鏡的光學(xué)原理，雖然能夠在一定程度上滿足成像需求，但在面對(duì)復(fù)雜樣本時(shí)，其性能往往受到限制。明場(chǎng)成像適用于觀察生物組織的整體結(jié)構(gòu)，但難以捕捉到細(xì)微的邊緣和細(xì)節(jié)；而邊緣增強(qiáng)成像則專注于揭示物體的邊框特征，但無法提供完整的形態(tài)信息。此外，傳統(tǒng)成像技術(shù)在多波長(zhǎng)成像時(shí)存在顯著的波長(zhǎng)串?dāng)_，這對(duì)于需要精確波長(zhǎng)控制的生物醫(yī)學(xué)成像尤其不利。例如，在熒光成像中，不同熒光標(biāo)記的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)需要精確區(qū)分，而傳統(tǒng)透鏡難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

超構(gòu)透鏡的發(fā)展與挑戰(zhàn)
超構(gòu)透鏡作為一種新興的光學(xué)元件，通過亞波長(zhǎng)單元的精確設(shè)計(jì)和排列，能夠?qū)崿F(xiàn)光的高效操控。其優(yōu)點(diǎn)包括輕薄、高數(shù)值孔徑（NA）、色差校正以及多模態(tài)成像能力。然而，現(xiàn)有的超構(gòu)透鏡技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，大多數(shù)超構(gòu)透鏡基于寬帶響應(yīng)，缺乏對(duì)窄帶光譜的有效調(diào)制，導(dǎo)致在多波長(zhǎng)成像中的串?dāng)_問題無法得到有效解決。此外，超構(gòu)透鏡的高質(zhì)量因數(shù)（Q因數(shù)）和高效率之間存在折衷關(guān)系，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。例如，傳統(tǒng)的非局域超構(gòu)透鏡雖然可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量因數(shù)，但其偏振轉(zhuǎn)換效率通常較低，無法滿足實(shí)際應(yīng)用中的高效率需求。

非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的提出
為了克服上述限制，科學(xué)家們提出了非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的概念。非局域超構(gòu)透鏡依賴于多個(gè)亞波長(zhǎng)單元的集體共振響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光譜和動(dòng)量調(diào)制。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量因數(shù)和高偏振轉(zhuǎn)換效率，還可以同時(shí)支持明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像，且兩者之間無串?dāng)_。這一設(shè)計(jì)為解決多模態(tài)成像中的波長(zhǎng)選擇性和高效光操控問題提供了新的思路。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)原理
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的核心在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理機(jī)制。該超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了高達(dá)65%的偏振轉(zhuǎn)換效率，還打破了傳統(tǒng)超薄非局域超構(gòu)表面的理論極限。此外，該設(shè)計(jì)通過幾何旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的相位調(diào)制，確保了在不同旋轉(zhuǎn)角度下的一致性，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的波前調(diào)制至關(guān)重要。

高質(zhì)量因數(shù)與高效率的實(shí)現(xiàn)
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的高性能主要得益于其高質(zhì)量因數(shù)和高偏振轉(zhuǎn)換效率。q-BIC模式以其高Q因數(shù)（90）和顯著的入射角依賴性，為超構(gòu)透鏡提供了高效的光譜調(diào)制能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該超構(gòu)透鏡在1560納米處實(shí)現(xiàn)了高Q因數(shù)和65%的偏振轉(zhuǎn)換效率，這一效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)非局域超構(gòu)透鏡的理論極限。此外，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該超構(gòu)透鏡在共振波長(zhǎng)處的透射率峰值可達(dá)65%，而在非共振波長(zhǎng)處的透射率接近零，從而實(shí)現(xiàn)了高效的波長(zhǎng)選擇性成像。這種高效能設(shè)計(jì)為超構(gòu)透鏡在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

多模態(tài)成像能力
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的另一大創(chuàng)新在于其多模態(tài)成像能力。通過巧妙地利用偏振轉(zhuǎn)換光和未轉(zhuǎn)換光的特性，該超構(gòu)透鏡能夠在同一結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像。其中，偏振轉(zhuǎn)換后的左旋圓偏振（LCP）光用于明場(chǎng)成像，其高效的聚焦能力和波長(zhǎng)選擇性使其能夠清晰地捕捉生物組織等樣本的整體結(jié)構(gòu)；而未轉(zhuǎn)換的右旋圓偏振（RCP）光則用于邊緣增強(qiáng)成像，通過大入射角下的高透射率實(shí)現(xiàn)對(duì)物體邊緣細(xì)節(jié)的增強(qiáng)。這種自旋復(fù)用成像技術(shù)不僅提高了成像效率，還避免了不同成像模式之間的串?dāng)_，為復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)成像任務(wù)提供了一種全新的解決方案。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
明場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
明場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡在1560納米的共振波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了高效的聚焦。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，超構(gòu)透鏡的焦距為211微米，接近設(shè)計(jì)值220微米。在焦平面上，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的半高全寬為4.7微米，小于衍射極限值3.9微米，這表明該超構(gòu)透鏡具有超衍射極限的成像能力。此外，超構(gòu)透鏡在共振波長(zhǎng)下的亮度比非共振波長(zhǎng)高出十倍以上，充分證明了其優(yōu)異的波長(zhǎng)選擇性。在1560納米波長(zhǎng)下，超構(gòu)透鏡能夠清晰地顯示出USAF分辨率測(cè)試圖卡的各個(gè)線對(duì)，表明其能夠有效分辨微米級(jí)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這種波長(zhǎng)選擇性明場(chǎng)成像能力對(duì)于生物醫(yī)學(xué)成像中對(duì)特定波長(zhǎng)光敏感的樣本具有重要意義，例如在熒光成像中，超構(gòu)透鏡可以精確地選擇激發(fā)波長(zhǎng)，從而提高成像質(zhì)量和信噪比。

邊緣增強(qiáng)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
邊緣增強(qiáng)成像實(shí)驗(yàn)展示了非局域惠更斯超構(gòu)透鏡在微米尺度物體邊緣細(xì)節(jié)增強(qiáng)方面的卓越性能。實(shí)驗(yàn)中，超構(gòu)透鏡被放置在樣品的實(shí)平面上，無需額外的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超構(gòu)透鏡在兩個(gè)主要共振波長(zhǎng)（Dip1和Dip2）處均能有效增強(qiáng)樣品的邊緣細(xì)節(jié)。通過分析不同方向上的邊緣增強(qiáng)圖像，研究人員發(fā)現(xiàn)，超構(gòu)透鏡能夠在水平和垂直方向清晰地分辨出物體的邊緣特征。具體而言，對(duì)于最小線寬為7.6微米的測(cè)試圖案，超構(gòu)透鏡能夠清晰地顯示出其邊緣輪廓，增強(qiáng)后的圖像在邊緣處的光強(qiáng)變化顯著高于背景區(qū)域，這表明該超構(gòu)透鏡在邊緣增強(qiáng)成像方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

此外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)比了Dip1和Dip2兩種情況下的成像效果。結(jié)果顯示，Dip1的中心亮度較低，這主要是由于其主要來源于局部響應(yīng)的米氏磁偶極共振（MDR），而Dip2則主要由非局域的q-BIC模式主導(dǎo)。由于q-BIC模式在成像場(chǎng)景中無法完全激發(fā)，因此在實(shí)際成像中Dip2的中心亮度相對(duì)較高。這種差異進(jìn)一步證明了非局域效應(yīng)在邊緣增強(qiáng)成像中的重要性。通過這種無串?dāng)_的自旋復(fù)用成像技術(shù)，超構(gòu)透鏡能夠在同一設(shè)備中同時(shí)實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像，極大地提高了成像的靈活性和效率。

成像結(jié)果的綜合分析
綜合明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡展現(xiàn)出了卓越的多模態(tài)成像能力。在明場(chǎng)成像模式下，超構(gòu)透鏡能夠提供高分辨率、高對(duì)比度的圖像，適用于觀察生物組織的整體結(jié)構(gòu)和形態(tài)；而在邊緣增強(qiáng)成像模式下，超構(gòu)透鏡則能夠突出物體的邊緣細(xì)節(jié)，有助于揭示復(fù)雜樣本的細(xì)微結(jié)構(gòu)特征。這種在同一設(shè)備中實(shí)現(xiàn)多種成像模式的能力，不僅減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的復(fù)雜性和成本，還提高了成像效率，尤其適用于需要同時(shí)捕捉多種信息的生物醫(yī)學(xué)成像任務(wù)。

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超構(gòu)透鏡的性能在不同波長(zhǎng)和偏振態(tài)下表現(xiàn)出高度一致性和穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性源于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理機(jī)制，例如q-BIC模式與Mie共振之間的相互作用，以及幾何相位調(diào)制的高效實(shí)現(xiàn)。這些特性使得超構(gòu)透鏡在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的適應(yīng)性和可靠性，能夠滿足從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床診斷等多種場(chǎng)景的需求。

總結(jié)與展望
非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的出現(xiàn)為成像技術(shù)的發(fā)展帶來了革命性的變化。通過巧妙的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制造工藝，這種超構(gòu)透鏡不僅實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量因數(shù)和高效率的自旋復(fù)用成像，還成功克服了傳統(tǒng)成像技術(shù)中波長(zhǎng)串?dāng)_和功能集成的難題。它在明場(chǎng)成像和邊緣增強(qiáng)成像方面的出色表現(xiàn)，使其在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡有望實(shí)現(xiàn)更高的性能和更多的功能。例如，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝，進(jìn)一步提高其Q因數(shù)和偏振轉(zhuǎn)換效率；探索新的材料和結(jié)構(gòu)，拓展其在不同波段的應(yīng)用；以及結(jié)合人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能的成像控制和分析。總之，非局域惠更斯超構(gòu)透鏡的出現(xiàn)為成像技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，我們期待它在未來能夠?yàn)榭茖W(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用帶來更多的驚喜和突破。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Yao J, Fan Y, Gao Y, Lin R, Wang Z, Chen MK, Xiao S, TsAI DP. Nonlocal Huygens' meta-lens for high-quality-factor sPIn-multiplexing imaging. Light Sci Appl. 2025 Jan 30;14(1):65.

DOI:10.1038/s41377-024-01728-3.