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打破傳統(tǒng)束縛：新型多焦點(diǎn)超透鏡革新光學(xué)成像
上海交通大學(xué)的鄔崇朝及其團(tuán)隊(duì)在ADVANCED SCIENCE上發(fā)表了一篇論文，提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種偏振無關(guān)的全介質(zhì)多焦點(diǎn)稀疏孔徑（MSA）超透鏡。金屬超透鏡在可見光譜中的透射效率由于電磁波與金屬中自由電子之間的相互作用而顯著降低，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。而介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，如硅（Si）、二氧化鈦（TiO2）、氮化鎵（GaN）和 IP-Dip 光刻膠等材料，已顯示出克服金屬納米結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)的潛力。考慮到偏振相關(guān)超透鏡對(duì)光源和透射效率的限制，設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)的偏振無關(guān)納米結(jié)構(gòu)具有重要意義。
這項(xiàng)研究中提出的 MSA 超透鏡由多個(gè)子扇區(qū)組成，每個(gè)子扇區(qū)由周期性排列的方形納米孔單元陣列組成，該陣列由 IP-Dip 光刻膠制成，適用于在 650 nm 波長(zhǎng)處進(jìn)行聚焦和成像。**這些納米孔陣列是使用 Nanoscribe Photonic Professional GT2 系統(tǒng)結(jié)合 IP-Dip 光刻膠和 63x 物鏡浸入模式下通過雙光子聚合制造的。**每對(duì)對(duì)角扇區(qū)形成一個(gè)獨(dú)立的稀疏孔徑子超透鏡，能夠?qū)⒐饩劢乖趯?duì)應(yīng)的焦點(diǎn)，同時(shí)使光在其他位置發(fā)散，從而有效地盡量減少彼此之間的干擾。因此，由稀疏孔徑子超透鏡組成的 MSA 超透鏡可以有效地將光聚焦到兩個(gè)焦點(diǎn)：f1 = 0.5 mm 和 f2 = 1.0 mm。
通過數(shù)值模擬分析了所設(shè)計(jì)的全介質(zhì) MSA 超透鏡的聚焦性能。結(jié)果表明，從 z = 0 mm 開始，光逐漸會(huì)聚到 z = 0.5 mm，然后發(fā)散直到在 z = 1.0 mm 處重新聚焦。光斑在 z = 0.5 和 1.0 mm 處對(duì)應(yīng)于其相鄰范圍內(nèi)最小的半峰全寬 (FWHM)，表明聚焦特性良好。由于光源為平面波源，z = 0.5 和 1.0 mm 處的焦平面圖像可用作 MSA 超透鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF)。
此外，還對(duì) MSA 超透鏡的成像能力進(jìn)行了驗(yàn)證。分辨率圖由水平條、垂直條和數(shù)字圖案組成，水平條沿 d1 方向定向，垂直條沿 d2 方向定向。使用 CMOS 相機(jī)捕獲相應(yīng)圖像，成功渲染分辨率測(cè)試目標(biāo)，最大分辨率為 12.4 μm，對(duì)應(yīng)于第 5 組元素 3 中線對(duì)的空間距離。最初，獲得了水平條的清晰圖像，垂直條顯得模糊。當(dāng)將 CMOS 相機(jī)從超透鏡移開時(shí)，圖像清晰度發(fā)生反轉(zhuǎn)：垂直條清晰可見，而水平條變得模糊。這兩個(gè)圖像分別對(duì)應(yīng)于 PSF1 和 PSF2 產(chǎn)生的結(jié)果。
這項(xiàng)工作還展示了具有三個(gè)和四個(gè)焦點(diǎn)的 MSA 超透鏡，表明其靈活性和高度的設(shè)計(jì)自由度。更重要的是，焦距和焦點(diǎn)的數(shù)量都可以定制，以滿足特定的要求，從而開辟了在虛擬現(xiàn)實(shí)顯示、顯微成像、全息術(shù)和光譜學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
相關(guān)文獻(xiàn)及圖片出處
doi.org/10.1002/advs.202309648
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