超構(gòu)表面透鏡在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域應(yīng)用

超構(gòu)表面透鏡在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域應(yīng)用報(bào)告提綱背景及意義研究方法及成果加工及制備方法生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用展望一二三四一超構(gòu)表面透鏡定義：將具有特殊電磁特性的納米柱結(jié)構(gòu)單元按照一定方式進(jìn)行排列的二維平面結(jié)構(gòu)。研究背景及意義結(jié)構(gòu)參數(shù)在亞波長(zhǎng)量級(jí)，厚度僅有幾微米?？梢宰鳛橐环N平面元件與芯片集成。功能集成化單一器件即可實(shí)現(xiàn)消色差/大數(shù)值孔徑/多焦點(diǎn)等功能一相比于傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭，超構(gòu)表面透鏡的優(yōu)點(diǎn)：厚度輕量化 系統(tǒng)芯片化研究背景及意義一研究背景及意義二研究方法及成果二研究方法及成果超構(gòu)表面透鏡設(shè)計(jì)基本原理：設(shè)計(jì)單元構(gòu)型，多種結(jié)構(gòu)單元集合構(gòu)建為完整的超構(gòu)表面超構(gòu)表面透鏡工作機(jī)理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)共振相位交叉極化相位（幾何相位）幾何相位中光偏振態(tài)的分布—龐加萊球表示法LCP入射RCP出射二研究方法及成果二研究方法及成果超構(gòu)表面透鏡聚焦原理按照一定的排列方式將不同構(gòu)型的單元結(jié)構(gòu)置于超構(gòu)表面透鏡所在平面超構(gòu)表面置于XY軸所構(gòu)平面XY面上一點(diǎn)距離焦點(diǎn)f距離L可以表述為：由距離L可以確定光傳播過(guò)程中產(chǎn)生的相位變化為：由此得到在f點(diǎn)產(chǎn)生干涉增強(qiáng)所需相位調(diào)制：二研究方法及成果二超構(gòu)表面透鏡功能1——多通道消色差對(duì)于同一焦距f，不同波長(zhǎng)的光聚焦所需求的相位φ并不相同，并且隨著幾何尺寸的增加差距逐漸增加改變超構(gòu)透鏡形狀的設(shè)計(jì)可以獲得對(duì)應(yīng)色散關(guān)系的單元結(jié)構(gòu)多波長(zhǎng)共焦點(diǎn)出射波前相位分布差（以400nm為參考）研究方法及成果二超構(gòu)表面透鏡功能2——寬帶消色差在寬波段消色差的設(shè)計(jì)中，超構(gòu)表面單元需要滿足波長(zhǎng)-相位的線性連續(xù)關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)消色差，邊緣陡度幾何級(jí)數(shù)變化，見(jiàn)上右圖中x軸對(duì)應(yīng)截面消色散相位關(guān)系曲線研究方法及成果二多通道超構(gòu)表面透鏡其他設(shè)計(jì)方法：DOI:

10.1038/srep32803復(fù)合結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面雙通道共焦點(diǎn)DOI:

10.1038/ncomms14992多重超構(gòu)表面三通道共焦點(diǎn)研究方法及成果二大口徑RGB共焦點(diǎn)超透鏡DOI:10.1126/sciadv.abe4458

（2021）目前口徑最大的RGB三通道共焦點(diǎn)設(shè)計(jì)（直徑2mm）分辨率接近衍射極限數(shù)值孔徑較大（0.7）研究方法及成果國(guó)外研發(fā)成果二/10.1515/nanoph-2020-0550（2020）可見(jiàn)光可見(jiàn) 近紅外d=0.2μm,p=0.4μm,h+t=1μm研究方法及成果國(guó)外研發(fā)成果 可見(jiàn)-近紅外寬帶消色散超透鏡首次實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)-近紅外的超寬波段消色散超構(gòu)表面數(shù)值孔徑極?。∟A0.04@φ200微米NA.26@φ20微米）聚焦效率較低（平均28%@φ200微米和44@φ20微米）二DOI:

10.1038/s41565-017-0034-6研究方法及成果國(guó)內(nèi)研發(fā)成果 超構(gòu)透鏡寬帶消色散陣列將直徑在幾十微米-幾百微米的微透鏡通過(guò)陣列拼接成像非直接成像，將數(shù)據(jù)通過(guò)算法計(jì)算成像二DOI:

10.1021/acs.nanolett.8b01570（2018）數(shù)值孔徑極大（NA0.98@空氣；NA1.512@油浸）工作效率約為67%（同類(lèi)工作中最高）透鏡直徑為1mm，應(yīng)用于共聚焦成像研究方法及成果國(guó)內(nèi)研發(fā)成果大數(shù)值孔徑超透鏡研究團(tuán)隊(duì)材料工作波段（nm）成像效率（%）數(shù)值孔徑AMSsensors公司TiO2532501.1(ng=1.52)哈佛大學(xué)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)南京大學(xué)GaN400-600400.106（air）中山大學(xué)c-Si532670.98(air)波士頓大學(xué)TiO2640-1200700.1二研究方法及成果加工工藝以及制備三超構(gòu)透鏡加工工藝流程：加工工藝以及制備三超構(gòu)透鏡制備：激光直寫(xiě)紫外激光無(wú)掩模曝光技術(shù)紫外光刻技術(shù)加工工藝以及制備三超構(gòu)透鏡制備：聚焦離子束刻蝕離子束轟擊樣品進(jìn)行物理刻蝕經(jīng)偏轉(zhuǎn)、聚焦裝置將離子束聚焦于樣品E×B質(zhì)量分析器篩選出特定離子靜電校準(zhǔn)后經(jīng)過(guò)靜電透鏡聚焦液態(tài)金屬離子源外加電場(chǎng)導(dǎo)出離子束加工工藝以及制備三超構(gòu)透鏡制備：納米壓印制作壓印模板對(duì)樣品涂膠通過(guò)模板對(duì)光刻膠進(jìn)行熱塑壓印冷卻固化光刻膠、去除模板反應(yīng)離子束刻蝕完成加工三加工工藝以及制備四國(guó)外進(jìn)展：超表面OCT內(nèi)窺鏡DOI:10.1038/s41566-018-0224-2

（2018）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用工作距離WD?=?0.5?mmH?=?750?

S?=?400?nm四國(guó)內(nèi)進(jìn)展：復(fù)合設(shè)計(jì)渦旋光超透鏡應(yīng)用于雙光子STED顯微成像DOI:

10.1364/OE.416698（2021）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用國(guó)內(nèi)進(jìn)展：超構(gòu)透鏡內(nèi)窺成像系統(tǒng)四生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用/10.1364/PRJ.406197（2021）四生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用蘇州醫(yī)工所：攻克顯微物鏡多參數(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)及數(shù)字化精密制造技術(shù)光學(xué)顯微系統(tǒng)核心部件，自主研發(fā)三系列物鏡技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代大NA顯微物鏡（NA1.45）日本Olympus本項(xiàng)目成果數(shù)值孔徑NA：1.45放大倍率：100物方視場(chǎng)：400μm數(shù)值孔徑NA：1.45放大倍率：100物方視場(chǎng)：400μm寬光譜顯微物鏡（NA0.72）日本Olympus本項(xiàng)目成果數(shù)值孔徑NA：0.7放大倍率：20物方視場(chǎng)：1.25mm數(shù)值孔徑NA：0.72放大倍率：20物方視場(chǎng)：1.25mm大視場(chǎng)高分辨顯微物鏡（NA0.5）英國(guó)Mesolens本項(xiàng)目成果數(shù)值孔徑NA：0.47放大倍率：5物方視場(chǎng)：6mm數(shù)值孔徑NA：0.5放大倍率：5物方視場(chǎng)：6mm蘇州醫(yī)工所：近紅外變焦超構(gòu)表面透鏡設(shè)計(jì)基于超構(gòu)透鏡的相位傳輸理論，結(jié)合微波相控陣天線理論設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電控變焦超透鏡;基于半導(dǎo)體硅的載流子濃度與電壓的線性調(diào)控能力間接調(diào)控材料折射率；以法帕腔的相位再分配能力調(diào)制輸出相位，實(shí)現(xiàn)0-2π的相位調(diào)制。該設(shè)計(jì)可以結(jié)合電子學(xué)元件實(shí)現(xiàn)電調(diào)制高分辨變焦成像能力。四 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用四結(jié)束語(yǔ)超構(gòu)表面透鏡在光學(xué)顯微成像及生物醫(yī)用光學(xué)領(lǐng)域具有特別的價(jià)值因其特有的超薄尺度可有效減小光學(xué)系統(tǒng)的體積，有助于實(shí)現(xiàn)大型檢測(cè)系統(tǒng)的便攜化、微型化及可穿戴化對(duì)于醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)