超構光子技術 顛覆傳統照亮未來 ——記南京大學李濤教授科研成果

光學技術一直伴隨著人類文明的進步而不斷演進。當前，人類社會邁入資訊時代，光學技術在資訊的獲取、傳輸、交互、表達等方面已經展示出無與倫比的能力和重要性。與之相應的，光學元器件的發展進步也隨著光學材料、加工手段、系統設計的進步發生著深刻的變革。微納光學是新世紀以來蓬勃發展的研究領域，超構光子學是其一個重要分支，它關注亞波長尺度下操控光的傳播，為光學器件和技術帶來新的設計思想和方案。

南京大學現代工程與應用科學學院副院長李濤教授，長期從事微納光子學方向的研究，在光學超構材料、光子整合等領域積累了一批原創性成果。近些年來，他帶領團隊積極開展技術創新，對超構透鏡進行了色散調控、陣列設計、偏振復用等功能拓展與提升，並與CMOS圖像感測器整合，先後開發研製了消色差平面透鏡、超構顯微鏡、平面廣角相機等高整合的光學成像器件，正在向技術應用邁進。同時，也在表面等離激元、光波導整合等方面取得了一系列創新性成果，並多次入選中國光學重要成果與十大進展。

圖1 李濤教授（左一）與研究團隊。

設計原理屢創新 超構透鏡色差除

説到成像，很多人都不會陌生，我國春秋時代《墨經》中記載了“小孔成像”的故事。不過真正大規模的成像技術源自於折射型透鏡的發明。由於成像原理的限制（如傍軸條件）、介質色散、光波長範圍等因素，單個折射透鏡的成像存在像差、色差、解析度極限、視場範圍等性能限制，提升綜合成像性能一直以來都是大家追求的目標。

李濤介紹説，超構表面是通過一薄層具有奈米結構的平板對光場進行任意操控，實現如透鏡聚焦、全息成像、偏振調控等功能。在此前研究中，科學家已經展示了利用平板超構透鏡達到媲美傳統光學顯微鏡的成像效果。但是，此類新原理鏡頭走向應用還面臨幾項重要挑戰，如何實現器件的寬頻消色差就是其中之一。針對這一問題，李濤研究組聯合台灣大學蔡定平研究組在寬頻消色差超構表面器件上取得重要進展，他們提出了整合共振的新方案並與幾何相位結合，成功設計並演示了同期國際上最寬頻的反射型消色差聚焦。隨後，聯合團隊進一步將該調控相位的方法推進到可見光波段，成功研製了世界上首例覆蓋全可見光波段（400－660 nm）的消色差超構透鏡，相關成果獲得“2018年中國光學十大進展”，並被國際同行廣泛關注。

儘管相關成果展示了超構透鏡寬頻消色差的能力，但所報道的消色差透鏡的尺寸非常小，通常在百十微米口徑，很難滿足現有光學系統廣泛的應用。針對此瓶頸問題，李濤近期帶領團隊提出了光場相干性及結構優化的多階衍射透鏡設計方案，並與合作者一起成功研製出口徑達1釐米的消色差平面透鏡，其消色差範圍覆蓋全部可見光到近紅外波段（400－1100nm），是迄今國際上綜合性能最高的光波段消色差平面透鏡。超構透鏡領域知名專家蔡定平教授為此工作專文評述。目前，研究人員已用此透鏡進行外景拍攝，並且正在將神經網路演算法與之結合，有望開發出具有實用性的光學系統。

另辟蹊徑破瓶頸 透鏡陣列有妙用

像差是成像性能的另一個重要性能指標。超構透鏡通常具有比較大的軸外像差（慧差），這使其成像的有效視場範圍非常受限。國際上有包括哈佛大學、中科院光電所等著名研究組針對消慧差問題開展了創新設計，並取得的一系列進展。不過，目前所展示的消像差、擴視場的效果還存在各種不足，比如通光孔徑受限、成像品質下降等。

李濤研究組另辟蹊徑採用超構透鏡陣列的方式來進行視場角的擴展，成功將單個超構透鏡僅有30度左右的視場角範圍通過陣列擴展到120度，同時在每個角度下成像品質都保持最優，不受慧差、畸變、場曲等影響。李濤表示，該方案其實是一個很樸素的思想，既然每個超構透鏡的視場角很有限，不妨就設計一系列透鏡，讓每個透鏡只負責一定的角度範圍，然後把不同角度圖像進行拼接。此方案中，超構透鏡相位設計的靈活的優勢得以發揮，僅在同一個平面可以完成不同入射角度下的超構透鏡設計。由此構建的廣角相機是完全平面結構，總體成像厚度僅為3毫米，顛覆了人們對廣角魚眼透鏡的想像。該工作也入選了“2022中國光學十大進展”。李濤補充道，此工作目前還是一個原理驗證，想要同時完成消色差、大口徑的透鏡陣列來實現高品質廣角成像還有艱巨的挑戰。

在顯微成像領域，寬視場與高分辨的制約問題一直是高通量顯微觀測的主要瓶頸。李濤研究組同樣發展了超構透鏡陣列設計，可以繞過傳統成像系統的空間頻寬積限制，讓成像解析度與視場範圍解耦。他們成功設計超構透鏡陣列與CMOS晶片整合，成像範圍可由微透鏡陣列的個數進行拓展，同時保持單個透鏡成像解析度不變。需要説明的是，該方案是基於兩組偏振復用的聚焦相位，互相之間偏移半個週期，可通過偏振切換補償視場盲區而獲得完整的寬視場顯微成像。這種基於超構透鏡陣列的成像晶片的構建在提升顯微成像性能的同時，大大增加了器件的便攜性，有望為醫療診斷開闢新技術範式。

圖2 基於超構透鏡陣列的平面廣角相機獲得2022中國光學十大進展。

成像技術新篇章 晶片超構顯微鏡

一直以來，顯微成像在生物醫學等領域有著廣泛的應用，光學顯微鏡作為疾病診斷的媒介有著不可取代的地位。如上所述，傳統光學顯微鏡在高解析度下的視野顯著縮小，景深受限需要機械調焦，這些都不利於高通量的觀察化驗與病灶診斷。另外，龐大笨重、高成本的顯微鏡不利於攜帶型應用場景，如急救場所、野外作業、社區家庭等。近年來，隨著現代生産生活的需要，小巧攜帶型的成像系統越來越受歡迎，對光學顯微鏡的高度整合化和小型化提出了挑戰。

由此，李濤帶領團隊基於之前透鏡陣列設計，成功研製出整合了LED照明光源、液晶起偏器、超構CMOS成像晶片的顯微鏡系統——晶片式超構顯微鏡。整個樣機非常“迷你”，尺寸僅為3－5釐米，體積重量不到傳統顯微鏡的千分之一，且透鏡陣列設計使其成像視場達到傳統商用顯微鏡同解析度下視場範圍的4－7倍。目前，超構顯微鏡實現了4×4 mm2的視場，1．74 μm的解析度（可進一步提升），約200 μm的景深，同時具備了高分辨、高像質、寬視場、大景深。研究團隊還在進行整機後期的優化，儘快能夠完成遠端控制的寬視場、大景深、多波長、高通量、多模態顯微成像技術。

該晶片式超構顯微鏡將超薄的超構透鏡與CMOS圖像傳感晶片結合，充分利用了兩者平板超薄的優勢二者相得益彰；並且，偏振復用的超構透鏡陣列設計拓展了視場範圍和景深限制；再者，完全遠端控制無需手動調節大大擴大了適用場景。該顯微鏡突破了傳統顯微物鏡的成像架構，其超小型成像模組為特殊環境下的顯微觀察與監控成為可能，如細胞培養箱、運動環境、輻照環境下的應用場景，有望為病理診斷、細胞研究、制藥工業等領域帶來一場革命。李濤研究組正依託南智光電研究院將此技術推向應用，目前已經將樣機交付客戶單位試用，進行數據積累。進行技術開發的研究生團隊也因該項目“晶片式超構顯微鏡——開啟生命科學顯微成像新篇章”榮獲中國國際“網際網路＋”大學生創新創業大賽全國銅獎、江蘇省一等獎等榮譽。

圖3研究團隊因“晶片式超構顯微鏡”項目在第八屆中國國際“網際網路＋”大學生創新創業大賽獲全國銅獎、江蘇省一等獎。

山高路遠見真章 大浪淘沙始見金

微納光子學經過二十餘年的蓬勃發展，正處於前沿拓展和技術沉澱的關鍵時期。目前，李濤研究組也持續開展光子學前沿的拓展，比如他們在硅基光波導整合領域引入拓撲光學設計、非厄米調控、人工規範場思想，發展多種基於新原理的寬頻魯棒性的光子整合元件。此外，他們還基於新的鈮酸鋰薄膜波導平臺，研發波導陣列的光場調控，研製出鈮酸鋰相控陣鐳射掃描模組，有望應用於高速率低功耗的鐳射雷達、自動駕駛等領域。

從原理創新向技術轉化角度，李濤團隊研發的晶片式顯微鏡，在超小型化成像技術領域表現出極大競爭力的優勢，無疑為超構光子學顛覆式應用提供了一個優秀的範例。“所有過往，皆為序章。山高路遠，大浪淘沙”，他們不會停下腳步，正繼續推動科研成果走向實際應用。超構光子技術的未來已來，正在顛覆傳統照亮未來。（文／陳偉）