平面光学综述:基于平板衍射透镜的高性能纳米成像和光刻

在纳米尺度上观察物质的精细结构对众多研究领域起着决定性作用。光学显微镜作为最重要的一个工具受到衍射极限的影响,其只能分辨200nm左右的物体。突破衍射极限的超分辨显微镜一直是学术界关注的焦点。如果以工作距离作为判断标准,超分辨显微镜可分为近场型和远场型。近场超分辨显微镜(如扫描近场光学显微镜,微球透镜,超透镜等)的工作距离一般小于一个波长,这极大限制了其应用范围。而远场超分辨显微镜中,荧光标记型显微镜(如STEM,STORM/PALM)虽然能提供极高的分辨率,但其成像范围仅限于可标记的生物或化学样品,且需要高能量激光激发荧光,会对某些成像样品造成损害。针对这些问题,研究人员开发了基于平板衍射透镜的无标记型远场超分辨显微镜,对平板衍射透镜的理论、设计、加工和成像测试等各个环节展开了大量研究。因此,系统地梳理其涉及的方法、技术和深层物理机制对该方向的持续发展具有重要意义。

一个由新加坡科技局(A*STAR)、中国科学技术大学、暨南大学和新加坡国立大学组成的国际合作团队,近五年对平板衍射透镜展开了深入的理论和实验研究,在其应用研发上拥有深厚的技术积累。近期,该团队受邀为材料领域重要国际期刊Advanced Materials撰写一篇行业综述“Planar Diffractive Lenses: Fundamentals, Functionalities, and Applications”,详细地整理了近期人们利用微米和纳米尺度平板衍射透镜在减小聚焦光斑上的原理、技术平台和研究进展。该文章从衍射聚焦光学的角度分析其深层物理机制,揭示了平板衍射透镜实现聚焦的理论基础,从数学上严格推导并给出了平板衍射透镜的衍射极限为0.38λ/NA,这比传统Rayleigh衍射极限0.61λ/NA更精确地描述光的聚焦特性。以波带片、光子筛和超表面型平板衍射透镜为例,详细介绍并对比其聚焦性能、工作波段、特征参数和工作环境等指标,同时从理论上讨论了其离轴像差和色差等成像特征,介绍了科学界在修正这些像差上的研究进展。在应用上,该综述以纳米成像为例,提供了基于平板衍射透镜的共焦扫描成像和直接宽场成像的教程,并讨论这两种成像方式的特点,同时列出了各种超分辨显微镜的性能对比,为各领域的科研工作者在选择显微镜时提供有效指导。另外,文章也简要介绍了平板衍射透镜在纳米光刻上的应用。基于上述研究基础,该综述从理论和应用上对其未来发展方向做出前瞻性展望。相关文章在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201704556)上。

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