双光子灰度光刻技术打印新型多焦点超透镜革新光学成像

上海交通大学的邬崇朝及其团队在ADVANCED SCIENCE上发表了一篇论文，提出并实验证明了一种偏振无关的全介质多焦点稀疏孔径（MSA）超透镜。金属超透镜在可见光谱中的透射效率由于电磁波与金属中自由电子之间的相互作用而显着降低，严重限制了其实际应用。而介质纳米结构，如硅（Si）、二氧化钛（TiO2）、氮化镓（GaN）和 IP-Dip 光刻胶等材料，已显示出克服金属纳米结构弱点的潜力。考虑到偏振相关超透镜对光源和透射效率的限制，设计用于产生多个焦点的偏振无关纳米结构具有重要意义。

这项研究中提出的 MSA 超透镜由多个子扇区组成，每个子扇区由周期性排列的方形纳米孔单元阵列组成，该阵列由 IP-Dip 光刻胶制成，适用于在 650 nm 波长处进行聚焦和成像。**这些纳米孔阵列是使用 Nanoscribe Photonic Professional GT2 系统结合 IP-Dip 光刻胶 (Nanoscribe GmbH, Germany) 和 63x 物镜浸入模式下通过双光子聚合制造的。**每对对角扇区形成一个独立的稀疏孔径子超透镜，能够将光聚焦在指定的焦点，同时使光在其他位置发散，从而有效地尽量减少彼此之间的干扰。因此，由稀疏孔径子超透镜组成的 MSA 超透镜可以有效地将光聚焦到两个焦点：f1 = 0.5 mm 和 f2 = 1.0 mm。

通过数值模拟分析了所设计的全介质 MSA 超透镜的聚焦性能。结果表明，从 z = 0 mm 开始，光逐渐会聚到 z = 0.5 mm，然后发散直到在 z = 1.0 mm 处重新聚焦。光斑在 z = 0.5 和 1.0 mm 处对应于其相邻范围内最小的半峰全宽 (FWHM)，表明聚焦特性良好。由于光源为平面波源，z = 0.5 和 1.0 mm 处的焦平面图像可用作 MSA 超透镜的点扩散函数 (PSF)。

此外，还对 MSA 超透镜的成像能力进行了验证。分辨率图由水平条、垂直条和数字图案组成，水平条沿 d1 方向定向，垂直条沿 d2 方向定向。使用 CMOS 相机捕获相应图像，成功渲染分辨率测试目标，最大分辨率为 12.4 μm，对应于第 5 组元素 3 中线对的空间距离。最初，获得了水平条的清晰图像，垂直条显得模糊。当将 CMOS 相机从超透镜移开时，图像清晰度发生反转：垂直条清晰可见，而水平条变得模糊。这两个图像分别对应于 PSF1 和 PSF2 产生的结果。

这项工作还展示了具有三个和四个焦点的 MSA 超透镜，表明其灵活性和高度的设计自由度。更重要的是，焦距和焦点的数量都可以定制，以满足特定的要求，从而开辟了在虚拟现实显示、显微成像、全息术和光谱学等各个领域的潜在应用。