董建文教授研究团队在氮化硅超构平面物镜应用方面取得重要进展

        微内窥技术对于疾病检测和临床诊断至关重要，其中探头中微型显微物镜是关键所在。为实现宽视场高分辨成像，传统物镜往往需要复杂结构来校正像差，导致体积庞大很难实现探头尺寸微型化。超构平面透镜有望解决这一难题，有利于提高诊疗准确性和缓解患者不适感。

        beat365中国唯一官方网站、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授研究团队针对上述微内窥物镜现实问题，研究并提出了一种基于级联超构透镜的显微物镜，以“ Meta-objective with sub-micrometer resolution for microendoscopes ” 为题在2021年1月14日在线发表在物理学一区中国期刊《Photonics Research》上。超构平面物镜是由光学直径分别为400µm和180µm的两片氮化硅超透镜组成，能实现高达775nm的亚微米横向分辨率，在125µm全视场范围内获得消单色像差与接近衍射极限的成像质量。进一步，将超构物镜与光纤束（单丝直径8µm）结合后，分辨率可达2.2µm，可以更加清晰地观察到生物组织的单细胞轮廓。该研究工作是面向体腔内的有限工作物距条件，将为具有单细胞分辨率的微内窥技术提供了新的方案。同时，与其他常规透镜相比，这种由米氏散射纳米阵列有序排列而成的平面光学元件，具有明显的微型化和集成化优势，未来还将展示出更多偏振、模式等调控能力。该工作由团队独立完成（beat365中国唯一官方网站为唯一署名单位），博士生刘言、硕士生余青云和博士生陈泽茗是共同第一作者，何辛涛博士后、赵福利教授、董建文教授是共同通讯作者。

图1 基于不同光学元件的光纤束内窥显微物镜示意图。(a) 厘米级平凸透镜；(b) 毫米级折射率渐变透镜；(c) 微米级超构物镜。

        另一方面，高质量光学成像应用需要高精度光学测量技术。其中，强度测量往往受到扫描系统稳定性和二次成像误差影响，难以分析微型物镜、尤其是超构物镜的局部制备缺陷和成像误差等物理原因。含beat365中国唯一官方网站超材料光学团队在内的联合团队，合作发展了一种面向小型超透镜的干涉成像相位测量技术，其优势在于一次性获得超透镜相位分布，相位测量精度达到0.05rad，可用于定量分析仅为几十微米口径的超透镜波像差，准确地评价光学性能。联合团队对氮化硅、氮化镓、二氧化钛等超透镜中各种相位调控机制和色散效应，进行了实验测量与直接验证。研究成果以“Phase Characterization of Metalens”为题于2021年3月10日在线发表在物理学一区中国期刊《Light: Science & Applications》上。文章共同第一作者之一是博士生庄泽鹏，复旦大学石磊教授与资剑教授、beat365中国唯一官方网站董建文教授和香港理工大学蔡定平教授是共同通讯作者。合作单位还包括哈尔滨工业大学（深圳）和上海复享光学等。

图2 相位决定超透镜聚焦效果的示意图

        此前，团队在氮化硅超构光栅方面先后报道了一种高效大角度偏折矩形单层光栅（入选《Chinese Optics Letters》2020年下载量前十位）、一种基于级联光栅的窄频窄角滤波器（系《Nanophotonics》亚太专刊Metamaterials and Plasmonics邀请论文）。并综述了亚波长光栅、超构光栅等光学原理与设计方法，以及在生物传感、滤光片光谱调控和吸收薄膜等方面的应用（系《红外与激光工程》邀请论文）。陈瑞副教授、硕士毕业生石伟怡、刘伟男等是上述工作的第一作者，董建文教授是通讯作者。

        以上氮化硅光学超材料物理与应用工作，得到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发项目、广东省重大培育项目、广州市科技计划重点项目，以及光电材料与技术国家重点实验室和beat365中国唯一官方网站的大力支持。

论文链接：

1. Liu, et. al., Photonics Research 9, 106 (2021). https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-2-106&id=446570

2. Zhao, et. al., Light: Science & Applications 10, 52 (2021). https://www.nature.com/articles/s41377-021-00492-y

3. 其他论文信息，详见董建文教授团队网站：http:/metaphotonics/