图1 超构表面产生4 × 4贝塞尔光束阵列示意图
1. 导读
贝塞尔光束阵列由于其独特的无衍射特性有潜力被广泛应用于多粒子捕获、光存储、激光制造和生物医学成像等领域。基于物镜聚焦的高数值孔径的高斯光束阵列具有较小的焦深；而传统的空间光调制器能产生具有长焦深的贝塞尔光束阵列，但受奈奎斯特采样定理的限制，光束的最高数值孔径受到限制。其次，以上方法不利于器件的集成化应用。因此，开发一种具有低成本，高集成度且能够产生高均匀度，高分辨率和长焦深的光束阵列以满足各种实际应用的需要。
近日上海理工大学张大伟教授领导的超精密光学制造创新团队在Nanophotonics发表最新文章，提出并验证了基于超构表面产生高均匀度（52.4%），亚波长横向尺寸（570 nm，0.9λ）的4 × 4贝塞尔光束阵列（如图1所示）。研究团队对贝塞尔光束的数值孔径，达曼光栅超晶胞的尺寸和贝塞尔光束阵列的均匀度三者之间的关系进行了讨论和总结。同时还对高分辨率的空心贝塞尔光束阵列进行了实验验证。
该研究成果提供了一种生成高均匀度，高分辨率的零阶和一阶贝塞尔光束阵列的方法，用于产生贝塞尔光束阵列的器件直径仅为48微米，这为未来生物医学成像，微粒和细胞光学操控等应用提供了一个紧凑的集成化平台。该研究可拓展用于调控各种类型的高分辨率光束阵列的研究。
2. 研究背景
多焦点光束阵列可用于并行多项任务处理，是科学研究和新兴应用的理想工具，如光阱、光存储、激光制造和光学显微镜等。但是，受奈奎斯特采样定理的限制，传统方法(如空间光调制器)产生的光束分辨率不高，强度不均匀。因此，如何产生一种长焦深，亚波长范围的横向尺寸和高均匀度的光束阵列是一个重要的科学问题。
为解决这些问题，上海理工大学科研人员引入电介质超构表面的概念，即由亚波长纳米结构单元组成，具有超薄、损耗低等独特优势，为生成高分辨率光束阵列提供了一种有效的方法。
3. 创新研究
研究人员基于达曼光栅原理成功的通过超构表面生成了零阶和一阶贝塞尔光束阵列（如图2所示）。研究人员发现，达曼光栅超晶胞的尺寸越小，贝塞尔光束阵列的离轴角度会越大，而大的角度会使得贝塞尔光束产生畸变，从而影响贝塞尔光束阵列的均匀性。其中，数值孔径越高，贝塞尔光束阵列的均匀度受光束离轴的影响越大。而随着达曼光栅超晶胞的尺寸不断增大，贝塞尔光束阵列的离轴角度会逐渐变小。此时，贝塞尔相邻光束的旁瓣重合程度会逐渐增大，从而影响贝塞尔光束阵列的均匀性。研究人员总结了这一规律，并实验验证了用超构表面产生数值孔径为0.4 的4 × 4贝塞尔光束阵列。受奈奎斯特采样定理的限制，传统的空间光调制器远远无法实现这一参数。和空间光调制器方法比起来，该方案中贝赛尔光束阵列的数值孔径提高了128倍且器件的面积缩小至48微米。该研究拓展了多焦点光束阵列在光学操控、光存储、激光制造和光学显微镜等领域中的集成化应用场景。
图2 贝塞尔光束阵列光场分布的实验结果
4. 应用与展望
研究团队提出的基于超构表面产生高均匀度和高分辨率的零阶和一阶贝塞尔光束的新方法，并通过实验验证了该方法的有效性。在设计波长630 nm处，所产生的零阶4 × 4贝塞尔光束阵列的焦点横向尺寸达到了亚波长尺寸590nm，同时保持了较高的均匀度。通过该方法设计出的高分辨率和均匀度好的贝塞尔光束阵列为生物医学成像，微粒和细胞光学操控，光存储，激光加工等提供了一个微型化平台。
该研究成果以“Generation of High-uniformity and High-resolution Bessel Beam Arrays through All-dielectric Metasurfaces”为题在线发表在Nanophotonics。
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