1. 开发了一种自上而下的制造技术，以实现高质量、高纵横比的TiO2超表面；
2. 随着超透镜厚度的增加，TiO2纳米柱提供的群延迟范围显著增强；
3. 设计了高效、宽频带消色差超透镜，并在近红外生物窗中演示了非偏振入射光；
4. 当数值孔径为0.24和0.1时，显色超透镜的聚焦效率分别达到77.1%和88.5%，最大聚焦效率达到90%以上；
5. 提出的具有创纪录的高效率和可大规模制造的消色差超透镜可以扩展到可见光谱，并可能引发平板光电子应用领域的一场革命，将加速超表面在便携式设备以及不受限制的微型机器人中的商业化和生物应用。
近年来，宽带消色差超透镜由于其在消费和工业产品中的巨大应用潜力而得到了广泛的研究。尽管已经取得了重大进展，但技术上相关的硅超透镜的效率仍受到带隙以上固有材料损耗的限制。而最近提出的使用透明、高折射率材料(如二氧化钛)的消色差超透镜，由于厚度小而受到限制，在较长的波长上显示出相对较低的聚焦效率。因此，在生物透明窗口中基于超透镜的光学成像迄今受到严重限制。
近日，哈尔滨工业大学(深圳)Shumin Xiao团队以题为“High-efficiency broadband achromatic metalens for near-IR biological imaging window”在《Nature Communications》上报道了一种高效、宽带消色差超透镜。通过实验证明了偏振不敏感、宽带二氧化钛消色差超透镜在近红外生物成像中的应用，开发出了一种大规模制备技术，可生产出具有创纪录的高纵横比的二氧化钛纳米柱，柱高为1.5μm，~90°垂直侧壁。实验结果表明，超透镜的群延迟范围显著增大，消色差光谱范围大大扩展到650-1000nm，平均效率为77.1%-88.5%，数值孔径为0.24-0.1。本研究为平面光子学的实际应用奠定了坚实的基础。
图1：宽带消色差超透镜效率图。
数值孔径(NA)在0.1以上的宽频消色差超透镜的效率用不同的颜色表示。本文还介绍了这项工作的结果(黑点)。插图为柱高为1500nm的TiO2纳米结构的倾斜扫描电镜图像。
图2：近红外消色差超透镜的设计。
(a)设计的四分之一超透镜的布局。四个基本构建块(单元格)在插图中被放大。(b)宽带消色差所需的组延迟(实线)和TiO2纳米结构提供的值。(c)和(d)是数值计算的不同波长下NA=0.24(点)和NA=0.1(方格)的TiO2超透镜的焦距和效率。两种超透镜的直径分别为30和25μm。
图3：实验制备的NA=0.24的TiO2超透镜。
(a)制造过程示意图。采用高定向刻蚀工艺制备TiO2纳米结构。(b)和(c)是不同分辨率的消色差超透镜的上视SEM图像。可以清楚地识别出四种类型的纳米结构。(d)超透镜对应的倾斜扫描电镜图像。(e)和(f)为不同波长下x-z面和x-y面焦点的强度分布。下面的面板描绘了沿直径(实线)和拟合曲线(虚线)的强度分布。(g)由消色差超透镜记录的1951年美国空军分辨率目标6号元素第7组图像。
图4：TiO2超透镜的聚焦效率。
(a)实验记录了NA=0.24(点)和NA=0.1(方框)的TiO2超透镜聚焦效率随入射波长的变化。在这里，入射光是非偏振光。(b)在800nm处聚焦效率对偏振的依赖关系。(a)和(b)中的插图分别是NA=0.1的超透镜在不同波长和不同偏振下的焦点图像。
图5：超透镜上转换成像。
(a)在白光照明下，聚苯乙烯球覆盖微孔板上的纳米晶体(NCs)显微镜图像。示例用虚线标记。(b)NA=0.24的消色差超透镜记录的上转换荧光图像。(c)由N=0.26的商业消色差物镜记录的上转换荧光图像(MY10X-823,Mitutoyo)。(d)上转换NCsHeLa细胞的显微镜图像。E和f超透镜和商业物镜记录的上转换荧光图像。
文章信息：
Wang, Y., Chen, Q., Yang, W. et al. High-efficiency broadband achromatic metalens for near-IR biological imaging window. Nat Commun 12, 5560 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25797-9
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