超構透鏡新突破：雙模態自旋復用成像
研究背景與技術挑戰
傳統成像技術的局限性
傳統光學成像技術主要依賴于折射透鏡的光學原理，雖然能夠在一定程度上滿足成像需求，但在面對復雜樣本時，其性能往往受到限制。明場成像適用于觀察生物組織的整體結構，但難以捕捉到細微的邊緣和細節；而邊緣增強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信息。此外，傳統成像技術在多波長成像時存在顯著的波長串擾，這對于需要精確波長控制的生物醫學成像尤其不利。例如，在熒光成像中，不同熒光標記的激發和發射波長需要精確區分，而傳統透鏡難以實現這一點。
超構透鏡作為一種新興的光學元件，通過亞波長單元的精確設計和排列，能夠實現光的高效操控。其優點包括輕薄、高數值孔徑（NA）、色差校正以及多模態成像能力。然而，現有的超構透鏡技術仍面臨一些挑戰。例如，大多數超構透鏡基于寬帶響應，缺乏對窄帶光譜的有效調制，導致在多波長成像中的串擾問題無法得到有效解決。此外，超構透鏡的高質量因數（Q因數）和高效率之間存在折衷關系，難以同時實現。例如，傳統的非局域超構透鏡雖然可以實現高質量因數，但其偏振轉換效率通常較低，無法滿足實際應用中的高效率需求。
非局域惠更斯超構透鏡的提出
為了克服上述限制，科學家們提出了非局域惠更斯超構透鏡的概念。非局域超構透鏡依賴于多個亞波長單元的集體共振響應，能夠實現高效的光譜和動量調制。不僅能夠實現高質量因數和高偏振轉換效率，還可以同時支持明場成像和邊緣增強成像，且兩者之間無串擾。這一設計為解決多模態成像中的波長選擇性和高效光操控問題提供了新的思路。
技術創新與應用
非局域惠更斯超構透鏡的設計原理
非局域惠更斯超構透鏡的核心在于其獨特的結構設計和物理機制。該超構透鏡設計不僅實現了高達65%的偏振轉換效率，還打破了傳統超薄非局域超構表面的理論極限。此外，該設計通過幾何旋轉實現了穩定的相位調制，確保了在不同旋轉角度下的一致性，這對于實現復雜的波前調制至關重要。
非局域惠更斯超構透鏡的高性能主要得益于其高質量因數和高偏振轉換效率。q-BIC模式以其高Q因數（90）和顯著的入射角依賴性，為超構透鏡提供了高效的光譜調制能力。實驗結果顯示，該超構透鏡在1560納米處實現了高Q因數和65%的偏振轉換效率，這一效率遠高于傳統非局域超構透鏡的理論極限。此外，通過優化設計，該超構透鏡在共振波長處的透射率峰值可達65%，而在非共振波長處的透射率接近零，從而實現了高效的波長選擇性成像。這種高效能設計為超構透鏡在生物醫學成像中的應用奠定了堅實基礎。
多模態成像能力
非局域惠更斯超構透鏡的另一大創新在于其多模態成像能力。通過巧妙地利用偏振轉換光和未轉換光的特性，該超構透鏡能夠在同一結構中實現明場成像和邊緣增強成像。其中，偏振轉換后的左旋圓偏振（LCP）光用于明場成像，其高效的聚焦能力和波長選擇性使其能夠清晰地捕捉生物組織等樣本的整體結構；而未轉換的右旋圓偏振（RCP）光則用于邊緣增強成像，通過大入射角下的高透射率實現對物體邊緣細節的增強。這種自旋復用成像技術不僅提高了成像效率，還避免了不同成像模式之間的串擾，為復雜的生物醫學成像任務提供了一種全新的解決方案。
成像實驗與結果分析
明場成像實驗結果
明場成像實驗結果顯示，非局域惠更斯超構透鏡在1560納米的共振波長處實現了高效的聚焦。模擬和實驗結果都表明，超構透鏡的焦距為211微米，接近設計值220微米。在焦平面上，實驗測得的半高全寬為4.7微米，小于衍射極限值3.9微米，這表明該超構透鏡具有超衍射極限的成像能力。此外，超構透鏡在共振波長下的亮度比非共振波長高出十倍以上，充分證明了其優異的波長選擇性。在1560納米波長下，超構透鏡能夠清晰地顯示出USAF分辨率測試圖卡的各個線對，表明其能夠有效分辨微米級的結構細節。這種波長選擇性明場成像能力對于生物醫學成像中對特定波長光敏感的樣本具有重要意義，例如在熒光成像中，超構透鏡可以精確地選擇激發波長，從而提高成像質量和信噪比。
邊緣增強成像實驗展示了非局域惠更斯超構透鏡在微米尺度物體邊緣細節增強方面的卓越性能。實驗中，超構透鏡被放置在樣品的實平面上，無需額外的傅里葉變換光學系統。實驗結果顯示，超構透鏡在兩個主要共振波長（Dip1和Dip2）處均能有效增強樣品的邊緣細節。通過分析不同方向上的邊緣增強圖像，研究人員發現，超構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，對于最小線寬為7.6微米的測試圖案，超構透鏡能夠清晰地顯示出其邊緣輪廓，增強后的圖像在邊緣處的光強變化顯著高于背景區域，這表明該超構透鏡在邊緣增強成像方面具有顯著優勢。
此外，實驗還對比了Dip1和Dip2兩種情況下的成像效果。結果顯示，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。由于q-BIC模式在成像場景中無法完全激發，因此在實際成像中Dip2的中心亮度相對較高。這種差異進一步證明了非局域效應在邊緣增強成像中的重要性。通過這種無串擾的自旋復用成像技術，超構透鏡能夠在同一設備中同時實現明場成像和邊緣增強成像，極大地提高了成像的靈活性和效率。
成像結果的綜合分析綜合明場成像和邊緣增強成像的實驗結果，非局域惠更斯超構透鏡展現出了卓越的多模態成像能力。在明場成像模式下，超構透鏡能夠提供高分辨率、高對比度的圖像，適用于觀察生物組織的整體結構和形態；而在邊緣增強成像模式下，超構透鏡則能夠突出物體的邊緣細節，有助于揭示復雜樣本的細微結構特征。這種在同一設備中實現多種成像模式的能力，不僅減少了實驗設備的復雜性和成本，還提高了成像效率，尤其適用于需要同時捕捉多種信息的生物醫學成像任務。
此外，實驗結果顯示，超構透鏡的性能在不同波長和偏振態下表現出高度一致性和穩定性。這種穩定性源于其獨特的結構設計和物理機制，例如q-BIC模式與Mie共振之間的相互作用，以及幾何相位調制的高效實現。這些特性使得超構透鏡在實際應用中具有廣泛的適應性和可靠性，能夠滿足從實驗室研究到臨床診斷等多種場景的需求。
總結與展望
非局域惠更斯超構透鏡的出現為成像技術的發展帶來了革命性的變化。通過巧妙的設計和先進的制造工藝，這種超構透鏡不僅實現了高質量因數和高效率的自旋復用成像，還成功克服了傳統成像技術中波長串擾和功能集成的難題。它在明場成像和邊緣增強成像方面的出色表現，使其在生物醫學、材料科學等領域具有廣闊的應用前景。未來，隨著相關技術的不斷進步，非局域惠更斯超構透鏡有望實現更高的性能和更多的功能。例如，通過優化設計和制造工藝，進一步提高其Q因數和偏振轉換效率；探索新的材料和結構，拓展其在不同波段的應用；以及結合人工智能等先進技術，實現更智能的成像控制和分析�？傊�，非局域惠更斯超構透鏡的出現為成像技術的發展注入了新的活力，我們期待它在未來能夠為科學研究和實際應用帶來更多的驚喜和突破。
聲明：本文僅用作學術目的。
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.
