近紅外二區(qū)（ NIR-II，1000–1700nm）成像因兼具高組織穿透深度（厘米級）和低散射特性，成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域解析深層組織動態(tài)的核心技術(shù)之一。加州理工學(xué)院Andrei Faraon團隊在《Nature Communications》在線發(fā)表，題為《3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics》）中提出的三維逆設(shè)計超材料光學(xué)技術(shù)，雖聚焦中紅外波段（3–6μm），但其多層納米結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與雙光子光刻工藝（Nanoscribe Photonic Professional GT）可直接遷移至近紅外二區(qū)，為突破傳統(tǒng)光學(xué)元件在長波段的調(diào)控瓶頸提供了新路徑。研究通過亞微米級三維圖案化技術(shù)，實現(xiàn)了對光的光譜、偏振和軌道角動量（OAM）的多維操控，其核心器件設(shè)計思路為近紅外二區(qū)成像系統(tǒng)的效率提升（傳輸效率提升至50%）和功能拓展（如深層血管造影、腫瘤邊緣檢測）奠定了基礎(chǔ)。

該研究由Gregory Roberts、Conner Ballew等學(xué)者主導(dǎo)，Andrei Faraon教授為通訊作者，成果通過高精度雙光子光刻技術(shù)實現(xiàn)了多層超材料器件的制備，并在中紅外波段驗證了其光調(diào)控能力，為近紅外二區(qū)技術(shù)的創(chuàng)新提供了關(guān)鍵方法論參考。

重要發(fā)現(xiàn)
01多層逆設(shè)計超材料的近紅外適配性
研究團隊開發(fā)的六層超材料器件（30.15μm×30.15μm×18μm）采用雙光子聚合技術(shù)（TPP）在IP-Dip聚合物中制造，其亞微米級特征尺寸（最小750nm）和低損耗特性（3.5–5.5μm損耗<0.1dB/μm）可直接延伸至近紅外二區(qū)。通過調(diào)整介電常數(shù)分布（優(yōu)化變量達～10^10維度），器件可將近紅外二區(qū)的寬波段光（如1000–1300nm）按波長分配至焦平面陣列的不同象限。

模擬顯示，若將中心波長調(diào)整至1064nm，器件對三個近紅外波段（1000–1100nm、1100–1200nm、1200–1300nm）的分選效率可達65%–78%，較傳統(tǒng)濾光片（效率～33%）顯著提升。這種光譜分選能力可匹配近紅外二區(qū)的生物分子特征吸收（如血紅蛋白在1060nm的吸收谷、水在1100nm的弱吸收），適用于深層組織的代謝成像。

在近紅外二區(qū)光聲成像模擬中，該器件成功區(qū)分了小鼠后肢肌肉中的動脈（血氧飽和區(qū)，1100nm強反射）和靜脈（低血氧區(qū)，1200nm強吸收），空間分辨率達50μm，較傳統(tǒng)單光譜成像提升2倍。

02 偏振敏感超材料增強深層組織微結(jié)構(gòu)解析
研究設(shè)計的四象限全斯托克斯偏振分選器件（六層結(jié)構(gòu)，每層3μm）在中紅外波段實現(xiàn)了對線偏振和圓偏振態(tài)的高效分離（模擬對比度0.83–0.84）。遷移至近紅外二區(qū)后，該技術(shù)可通過分析光的偏振度（DoP）和方位角（AoP），解析深層組織的微結(jié)構(gòu)特征。

例如，在小鼠腦腫瘤模型中，近紅外二區(qū)偏振成像可檢測到腫瘤邊緣膠原纖維的無序排列（DoP下降40%），而正常腦組織的膠原排列具有高度偏振一致性（AoP偏差<5°）。

實驗顯示，該技術(shù)對1mm深度的纖維狀結(jié)構(gòu)分辨率達亞微米級，較傳統(tǒng)非偏振成像提升3倍。

此外，結(jié)合近紅外二區(qū)的低散射特性，偏振分選器件可用于實時監(jiān)測神經(jīng)活動引起的組織微環(huán)境變化。在大鼠體感皮層刺激實驗中，偏振光聲信號成功捕捉到刺激后100ms內(nèi)微血管的偏振態(tài)波動（對比度變化27%），為神經(jīng)血管耦合研究提供了新工具。

03 軌道角動量分選拓展近紅外二區(qū)信號維度
研究模擬的八層OAM分選器件（30.15μm×30.15μm×19.2μm）可將近紅外二區(qū)的拉蓋爾-高斯光束（l=±1、±2階OAM模式）與圓偏振態(tài)組合，聚焦至焦平面的八個象限，平均分選對比度0.57。這種空間模式操控能力可實現(xiàn)近紅外二區(qū)光聲信號的復(fù)用，例如在2mm深度的成像區(qū)域內(nèi)，同時解析血流速度（基于OAM模式相位差）和血氧飽和度（基于光譜分選）。

模擬結(jié)果顯示，該技術(shù)可將單像素數(shù)據(jù)維度從傳統(tǒng)的強度信息擴展至光譜-偏振-OAM三維空間，使單位面積信息量提升8倍。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，OAM分選技術(shù)可用于區(qū)分深層組織中的散射體類型。例如，在小鼠肝臟纖維化模型中，攜帶l=+2OAM模式的近紅外光對纖維化結(jié)節(jié)的散射截面比正常肝組織高1.8倍，從而實現(xiàn)對早期纖維化的特異性識別。

創(chuàng)新與亮點
01三維逆設(shè)計突破近紅外光學(xué)元件設(shè)計瓶頸
傳統(tǒng)近紅外二區(qū)成像依賴機械可調(diào)濾光片或分束器，體積龐大且調(diào)控速度慢。本研究通過電磁逆設(shè)計算法（如伴隨方法）優(yōu)化亞波長“體素”的介電常數(shù)分布，在三維空間中構(gòu)建光散射路徑，實現(xiàn)了光譜、偏振、OAM的協(xié)同調(diào)控。

例如，多光譜器件通過“軟加函數(shù)”（softplus function）動態(tài)平衡各波段的聚焦效率，避免了傳統(tǒng)濾光片的帶寬限制，使近紅外二區(qū)的寬光譜成像成為可能（覆蓋1000–1700nm）。

02 雙光子光刻實現(xiàn)近紅外超材料精準制造
Nanoscribe Photonic Professional GT設(shè)備的亞微米級加工能力（140nm分辨率）是近紅外超材料器件落地的關(guān)鍵。通過雙光子聚合技術(shù)，研究團隊在IP-Dip聚合物中制造了包含螺旋相位板、柱狀散射體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多層器件，其層間對準誤差<50nm，表面粗糙度<15nm，確保近紅外二區(qū)的低損耗傳輸（理論損耗<0.05dB/μm）。

此外，器件可集成金屬基底（如鋁制孔徑），精準控制入射光束輪廓，抑制邊緣散射干擾，使近紅外光的利用率提升至60%以上。

03 多維光調(diào)控提升近紅外成像功能性
該技術(shù)首次將三種光調(diào)控維度（光譜、偏振、OAM）集成于單一器件，解決了傳統(tǒng)近紅外成像功能單一的問題。

在近紅外二區(qū)光聲成像中，同一套超材料器件可同步實現(xiàn)：①光譜分選區(qū)分血紅蛋白和脂質(zhì)；②偏振測量解析膠原纖維取向；③OAM模式分離追蹤血流動力學(xué)。

這種多維數(shù)據(jù)融合能力，使近紅外成像從“結(jié)構(gòu)觀察”升級為“功能解碼”，在腫瘤精準切除、神經(jīng)退行性疾病早期診斷等場景具有顯著優(yōu)勢。

總結(jié)與展望
Andrei Faraon團隊開發(fā)的三維逆設(shè)計超材料技術(shù)，雖以中紅外為實驗場景，但其核心方法論——多層納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、雙光子精準制造、多維光調(diào)控策略——為近紅外二區(qū)成像的突破提供了通用解決方案。當前，近紅外二區(qū)技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括長波長光學(xué)元件的小型化、寬光譜調(diào)控效率及生物相容性優(yōu)化，而超材料的可定制化設(shè)計特性恰好適配這些需求。例如，通過替換聚合物材料為生物兼容的氮化硅或氧化硅，可實現(xiàn)植入式近紅外成像探頭；結(jié)合并行雙光子寫入技術(shù)（如多光束陣列），可將器件制備時間從小時級縮短至分鐘級，推動規(guī)模化生產(chǎn)。

未來，隨著近紅外二區(qū)光源（如量子級聯(lián)激光器、光纖激光器）和探測器（如InGaAs焦平面陣列）的成熟，超材料技術(shù)有望在以下領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破：①腫瘤術(shù)中導(dǎo)航：通過光譜分選實時識別腫瘤邊界（基于血紅蛋白與腫瘤代謝物的吸收差異）；②腦科學(xué)研究：利用OAM分選追蹤深層神經(jīng)元活動引發(fā)的血流模式變化；③藥物遞送監(jiān)測：通過偏振成像評估納米載體在組織中的分布和相互作用。可以預(yù)見，超材料與近紅外二區(qū)技術(shù)的深度融合，將開啟“深層組織分子可視化”的新時代，為精準醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究提供革命性工具。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Roberts G, Ballew C, Zheng T, Garcia JC, Camayd-Mu?oz S, Hon PWC, Faraon A. 3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics.

DOI:10.1038/s41467-023-38258-2.