西工大新聞網9月12日電（李文麗)近年來，微納光學理論與先進微納制造技術催生了以人工微納結構對光場的精細復雜調控的平面微納光學透鏡。但現有平面微納光學透鏡普遍存在的共性瓶頸是：透鏡的帶寬、焦深與數值孔徑之間存在突出矛盾，隨著數值孔徑的增大，透鏡聚焦焦點減小的同時其色散顯著增強，透鏡焦深也隨之大幅壓縮。因此，如何實現一種同時滿足消色差、遠場超分辨、大焦深且可低成本、晶圓級制造的高數值孔徑的平面光學透鏡是當前研究的關鍵難題，亟需以滿足其在超分辨顯微鏡關鍵裝備中不斷升級的成像與檢測需求，新一代“完美透鏡”革命蓄勢待發。
近日，西北工業大學機電學院微系統工程系與香港城市大學材料科學與工程學院合作在平面超分辨多色立體顯微成像研究中取得重要進展，相關研究成果以“Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus”為題發表在國際著名期刊Nature Communications上。我校苑偉政教授與虞益挺教授聯合培養的博士后李文麗為該論文的第一作者，機電學院與寧波研究院為第一作者單位。虞益挺教授與雷黨愿副教授為本文的通訊作者。
（文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40725-9）
圖1多焦點拼接延長焦深及多波長復消色差可控優化設計方法
針對光學透鏡在帶寬、視場與分辨率之間存在的突出瓶頸，本工作以平面超振蕩透鏡為研究對象，提出多焦點拼接延長焦深及多波長復消色差可控優化設計方法（如圖1所示），該方法在縱向上實現了連續聚焦，形成了數值孔徑0.76、三個入射波長（488nm/532nm/640nm）下的焦深均大于10λ的光針光場，處于世界領先水平。通過藍、綠、紅三束遠場光針光場的重疊，實現多色超分辨立體顯微成像，在428μm焦距下的聚焦效率為11.2%，超過了文獻的結果。通過分辨率標定實驗，我們展示了所開發的平面超振蕩透鏡在熒光顯微鏡上的應用，用于無標記成像，在連續掃描下，空氣中遠場分辨率極限為0.3λ（入射波長488nm）。并對微納加工的三維楔形結構進行了立體掃描成像（如圖2所示），與商業化倒置顯微鏡及共聚焦顯微鏡相比，可對一定厚度的樣品進行清晰成像。
圖2 三維微納楔形結構立體成像效果對比
圖3 熒光標記神經元細胞的多色熒光三維成像
此外，本研究首次展示了熒光標記神經元細胞的多色熒光三維成像（如圖3所示），優勢在于無需多次掃描即可完成不同深度樣品信息的獲取，最終突破經典光學理論中帶寬、視場與分辨率之間的固有矛盾，獲得了高數值孔徑透鏡下的大視場、消色差、長焦深遠場超分辨聚焦，有望為國產化高端顯微成像系統提供底層硬件解決方案，推動我國高端顯微成像系統自主研發進程。
本研究得到國家自然科學基金面上基金、青年基金，中國博士后基金面上基金、寧波市自然科學基金等項目資助。虞益挺教授課題組多年來深耕微納光學成像傳感領域，針對該方向已在Nanoscale、Information Fusion、Advanced Optical Materials、Microsystems & Nanoengineering、Opto-Electronic Advances、Optics Letters、Optics Express等國際知名學術期刊上發表多篇研究論文。
西北工業大學MEMS芯片與智能微系統團隊是由我國MEMS領域的開拓者苑偉政教授領銜，緊密結合西工大“三航”特色，在航空航天特種MEMS芯片制造、微納慣性敏感機理與器件、先進流動測控等方面處于國際先進水平。獲得國家技術發明二等獎3項，國家教學成果一等獎1項，省部級一等獎8項。
（審核：常洪龍、虞益挺）
