撰稿 | 杨大海（哈尔滨工业大学 博士生）
在光学成像领域，偏振显微成像和偏振荧光激发是两种非常重要的技术手段。而这其中的偏振显微成像可以揭示光学各向异性，偏振成像被广泛地应用于表征材料的结构，用于鉴别病理组织，以及手性药物的识别等。这些特殊的功能都是常规成像无法做到的，所以生物工作者和医学工作者对偏光显微镜是情有独钟的。
而现有的偏光显微镜中，光源是偏光显微镜的关键部件，它通常由多种偏振光组成，而不是由单个偏振光或者是非偏振光组成。然而，由于不同类型的偏振光通常需要旋转不同的偏振光学元件或者是光调制器产生，因此产生的装置是非平行的，这样必然会导致整个的光路系统庞大而且复杂。此外，非平行照明同时限制了高速超分辨显微镜的发展。
在近几十年的光学发展中，超构表面技术的提出，由于其在特征尺寸、功能集成等方面的优势，有望能够很好的补充传统透镜所不具备的功能。而目前对超构表面的研究与应用，也如雨后春笋一般。
虽然，在现有的报道中超构表面能够实现超紧凑、亚波长空间分辨率、以及偏振和相位等的调制。但是，由于光谱域里超构表面的透过率低和调制效率低，大多都实现的是单一的调制，所以现有的偏振成像显微系统体积大和结构复杂。
近日，哈尔滨工业大学—金鹏教授团队与中科院苏州纳米所—张宝顺研究员团队合作，为解决这个难题，提供了新的思路。
该成果以“Parallel Polarization Illumination with a Multifocal Axicon Metalens for Improved Polarization Imaging”为题发表在 Nano Letters。通讯作者为金鹏教授和林杰副教授。
本篇论文提出并制备了一种偏振可控多焦点超构透镜，实现了四个不同方向的线偏振聚焦光斑的并行输出；并且聚焦光斑的尺寸接近衍射极限，强度均匀，有利于实现高分辨率的偏振显微成像和偏振荧光激发。
超构表面可以通过复用等方式在单片器件上同时实现多种光调制功能。本文作者利用了“超像素”的方法在一个大周期方格上，利用电子束刻蚀的方法加工制备出了具有不同尺寸和不同方位角的纳米鳍结构，其分别对应着不同偏振态的贝塞尔光。其制作的超构透镜计算平均透过率可达到97.5%，Bessel光的线偏振度实测转换效率可以达到83%以上。所以，这种多功能超构表面不但在光束调制上具有明显的优势，而且在偏振信息的获取上也具有极大用途。
与传统偏光显微镜所采用的偏振光依次照明的方式相比，这种集成超构表面可以实现并行照明，这可以大幅度提高成像速度，而且可以极大地压缩系统尺寸。通过将多功能集成超构表面加载到显微镜中，进行金属偏振光栅偏振信息的提取。测试样品可同时被四个偏振贝塞尔光斑扫描，计算提取后可准确地绘制出铝光栅的偏振图像，其最大偏差为3.8°。
该研究有助于研制小型化的偏振显微镜系统，其对于推动光学超构表面在偏振光场调控理论以及偏振显微成像技术领域的应用拓展具有重要意义。在未来的生物传感设备、智能手机和偏振显微等光学技术上将具有广泛的应用前景。
金鹏 教授
金鹏，哈尔滨工业大学教授，博士生导师；教育部新世纪人才，国家863计划项目首席专家。近年来主要从事基于微纳结构的光/电磁信息调制理论、器件制备及其应用方面的研究。
现任加拿大Dalhousie大学兼职教授，英国伯明翰大学、澳大利亚新南威尔士大学荣誉研究员，国家自然科学基金机械与制造学科项目评议人，第六届中国计量测试学会理事。
先后主持承担国家自然科学基金面上项目、863项目、国防预研项目等一批国家及省部级项目和多项国际合作项目。获得国防科学技术一等奖一项，黑龙江自然科学二等奖一项，国际发明专利两项，参编著作一部，在Nano Letters，Carbon，Laser & Photonics Reviews，Nanoscale， Advanced Electronic Materials等期刊发表SCI检索文章60余篇。
文章信息
Nano Lett. 2020, 20, 7, 5428–5434
原文地址
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01877
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
