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超构光子技术 颠覆传统照亮未来——记南京大学李涛教授科研成果

2023-10-23   1381    


光学技术一直伴随着人类文明的进步而不断演进。当前,人类社会迈入信息时代,光学技术在信息的获取、传输、交互、表达等方面已经展示出无与伦比的能力和重要性。与之相应的,光学元器件的发展进步也随着光学材料、加工手段、系统设计的进步发生着深刻的变革。微纳光学是新世纪以来蓬勃发展的研究领域,超构光子学是其一个重要分支,它关注亚波长尺度下操控光的传播,为光学器件和技术带来新的设计思想和方案。

南京大学现代工程与应用科学学院副院长李涛教授,长期从事微纳光子学方向的研究,在光学超构材料、光子集成等领域积累了一批原创性成果。近些年来,他带领团队积极开展技术创新,对超构透镜进行了色散调控、阵列设计、偏振复用等功能拓展与提升,并与CMOS图像传感器集成,先后开发研制了消色差平面透镜、超构显微镜、平面广角相机等高集成的光学成像器件,正在向技术应用迈进。同时,也在表面等离激元、光波导集成等方面取得了一系列创新性成果,并多次入选中国光学重要成果与十大进展。


1 李涛教授(左一)与研究团队。

设计原理屡创新 超构透镜色差除

说到成像,很多人都不会陌生,我国春秋时代《墨经》中记载了“小孔成像”的故事。不过真正大规模的成像技术源自于折射型透镜的发明。由于成像原理的限制(如傍轴条件)、介质色散、光波长范围等因素,单个折射透镜的成像存在像差、色差、分辨率极限、视场范围等性能限制,提升综合成像性能一直以来都是大家追求的目标。

李涛介绍说,超构表面是通过一薄层具有纳米结构的平板对光场进行任意操控,实现如透镜聚焦、全息成像、偏振调控等功能。在此前研究中,科学家已经展示了利用平板超构透镜达到媲美传统光学显微镜的成像效果。但是,此类新原理镜头走向应用还面临几项重要挑战,如何实现器件的宽带消色差就是其中之一。针对这一问题,李涛研究组联合台湾大学蔡定平研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展,他们提出了集成共振的新方案并与几何相位结合,成功设计并演示了同期国际上最宽带的反射型消色差聚焦。随后,联合团队进一步将该调控相位的方法推进到可见光波段,成功研制了世界上首例覆盖全可见光波段(400660 nm)的消色差超构透镜,相关成果获得“2018年中国光学十大进展”,并被国际同行广泛关注。

尽管相关成果展示了超构透镜宽带消色差的能力,但所报道的消色差透镜的尺寸非常小,通常在百十微米口径,很难满足现有光学系统广泛的应用。针对此瓶颈问题,李涛近期带领团队提出了光场相干性及结构优化的多阶衍射透镜设计方案,并与合作者一起成功研制出口径达1厘米的消色差平面透镜,其消色差范围覆盖全部可见光到近红外波段(4001100nm),是迄今国际上综合性能最高的光波段消色差平面透镜。超构透镜领域知名专家蔡定平教授为此工作专文评述。目前,研究人员已用此透镜进行外景拍摄,并且正在将神经网络算法与之结合,有望开发出具有实用性的光学系统。

另辟蹊径破瓶颈 透镜阵列有妙用

像差是成像性能的另一个重要性能指标。超构透镜通常具有比较大的轴外像差(慧差),这使其成像的有效视场范围非常受限。国际上有包括哈佛大学、中科院光电所等著名研究组针对消慧差问题开展了创新设计,并取得的一系列进展。不过,目前所展示的消像差、扩视场的效果还存在各种不足,比如通光孔径受限、成像质量下降等。

李涛研究组另辟蹊径采用超构透镜阵列的方式来进行视场角的扩展,成功将单个超构透镜仅有30度左右的视场角范围通过阵列扩展到120度,同时在每个角度下成像质量都保持最优,不受慧差、畸变、场曲等影响。李涛表示,该方案其实是一个很朴素的思想,既然每个超构透镜的视场角很有限,不妨就设计一系列透镜,让每个透镜只负责一定的角度范围,然后把不同角度图像进行拼接。此方案中,超构透镜相位设计的灵活的优势得以发挥,仅在同一个平面可以完成不同入射角度下的超构透镜设计。由此构建的广角相机是完全平面结构,总体成像厚度仅为3毫米,颠覆了人们对广角鱼眼透镜的想象。该工作也入选了“2022中国光学十大进展”。李涛补充道,此工作目前还是一个原理验证,想要同时完成消色差、大口径的透镜阵列来实现高质量广角成像还有艰巨的挑战。

在显微成像领域,宽视场与高分辨的制约问题一直是高通量显微观测的主要瓶颈。李涛研究组同样发展了超构透镜阵列设计,可以绕过传统成像系统的空间带宽积限制,让成像分辨率与视场范围解耦。他们成功设计超构透镜阵列与CMOS芯片集成,成像范围可由微透镜阵列的个数进行拓展,同时保持单个透镜成像分辨率不变。需要说明的是,该方案是基于两组偏振复用的聚焦相位,互相之间偏移半个周期,可通过偏振切换补偿视场盲区而获得完整的宽视场显微成像。这种基于超构透镜阵列的成像芯片的构建在提升显微成像性能的同时,大大增加了器件的便携性,有望为医疗诊断开辟新技术范式。


2 基于超构透镜阵列的平面广角相机获得2022中国光学十大进展。

成像技术新篇章 芯片超构显微镜

一直以来,显微成像在生物医学等领域有着广泛的应用,光学显微镜作为疾病诊断的媒介有着不可取代的地位。如上所述,传统光学显微镜在高分辨率下的视野显著缩小,景深受限需要机械调焦,这些都不利于高通量的观察化验与病灶诊断。另外,庞大笨重、高成本的显微镜不利于便携式应用场景,如急救场所、野外作业、社区家庭等。近年来,随着现代生产生活的需要,小巧便携式的成像系统越来越受欢迎,对光学显微镜的高度集成化和小型化提出了挑战。

由此,李涛带领团队基于之前透镜阵列设计,成功研制出集成了LED照明光源、液晶起偏器、超构CMOS成像芯片的显微镜系统——芯片式超构显微镜。整个样机非常“迷你”,尺寸仅为35厘米,体积重量不到传统显微镜的千分之一,且透镜阵列设计使其成像视场达到传统商用显微镜同分辨率下视场范围的47倍。目前,超构显微镜实现了4×4 mm2的视场,174 μm的分辨率(可进一步提升),约200 μm的景深,同时具备了高分辨、高像质、宽视场、大景深。研究团队还在进行整机后期的优化,尽快能够完成远程控制的宽视场、大景深、多波长、高通量、多模态显微成像技术。

该芯片式超构显微镜将超薄的超构透镜与CMOS图像传感芯片结合,充分利用了两者平板超薄的优势二者相得益彰;并且,偏振复用的超构透镜阵列设计拓展了视场范围和景深限制;再者,完全远程控制无需手动调节大大扩大了适用场景。该显微镜突破了传统显微物镜的成像架构,其超小型成像模块为特殊环境下的显微观察与监控成为可能,如细胞培养箱、运动环境、辐照环境下的应用场景,有望为病理诊断、细胞研究、制药工业等领域带来一场革命。李涛研究组正依托南智光电研究院将此技术推向应用,目前已经将样机交付客户单位试用,进行数据积累。进行技术开发的研究生团队也因该项目“芯片式超构显微镜——开启生命科学显微成像新篇章”荣获中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国铜奖、江苏省一等奖等荣誉。


3研究团队因“芯片式超构显微镜”项目在第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛获全国铜奖、江苏省一等奖。

山高路远见真章 大浪淘沙始见金

微纳光子学经过二十余年的蓬勃发展,正处于前沿拓展和技术沉淀的关键时期。目前,李涛研究组也持续开展光子学前沿的拓展,比如他们在硅基光波导集成领域引入拓扑光学设计、非厄米调控、人工规范场思想,发展多种基于新原理的宽带鲁棒性的光子集成元件。此外,他们还基于新的铌酸锂薄膜波导平台,研发波导阵列的光场调控,研制出铌酸锂相控阵激光扫描模块,有望应用于高速率低功耗的激光雷达、自动驾驶等领域。

从原理创新向技术转化角度,李涛团队研发的芯片式显微镜,在超小型化成像技术领域表现出极大竞争力的优势,无疑为超构光子学颠覆式应用提供了一个优秀的范例。“所有过往,皆为序章。山高路远,大浪淘沙”,他们不会停下脚步,正继续推动科研成果走向实际应用。超构光子技术的未来已来,正在颠覆传统照亮未来。(文/陈伟)


转自南智光电微信公众号



本文由南京大学-介电体超晶格实验室(http://slab.nju.edu.cn)原创编辑,转发请注明来源及版权归属。
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