近年来，微纳光学理论与先进微纳制造技术催生了以人工微纳结构对光场的精细复杂调控的平面微纳光学透镜。但现有平面微纳光学透镜普遍存在的共性瓶颈是：透镜的带宽、焦深与数值孔径之间存在突出矛盾，随着数值孔径的增大，透镜聚焦焦点减小的同时其色散显著增强，透镜焦深也随之大幅压缩。因此，如何实现一种同时满足消色差、远场超分辨、大焦深且可低成本、晶圆级制造的高数值孔径的平面光学透镜是当前研究的关键难题，亟需以满足其在超分辨显微镜关键装备中不断升级的成像与检测需求，新一代“完美透镜”革命蓄势待发。
近日，西北工业大学3003必赢贵宾会vip微系统工程系与香港城市大学材料科学与工程学院合作在平面超分辨多色立体显微成像研究中取得重要进展，相关研究成果以“Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。我校苑伟政教授与虞益挺教授联合培养的博士后李文丽为该论文的第一作者，3003必赢贵宾会vip与宁波研究院为第一作者单位。虞益挺教授与雷党愿副教授为本文的通讯作者。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40725-9
图1多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法
针对光学透镜在带宽、视场与分辨率之间存在的突出瓶颈，本工作以平面超振荡透镜为研究对象，提出多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法（如图1所示），该方法在纵向上实现了连续聚焦，形成了数值孔径0.76、三个入射波长（488nm/532nm/640nm）下的焦深均大于10λ的光针光场，处于世界领先水平。通过蓝、绿、红三束远场光针光场的重叠，实现多色超分辨立体显微成像，在428μm焦距下的聚焦效率为11.2%，超过了文献的结果。通过分辨率标定实验，我们展示了所开发的平面超振荡透镜在荧光显微镜上的应用，用于无标记成像，在连续扫描下，空气中远场分辨率极限为0.3λ（入射波长488nm）。并对微纳加工的三维楔形结构进行了立体扫描成像（如图2所示），与商业化倒置显微镜及共聚焦显微镜相比，可对一定厚度的样品进行清晰成像。
图2 三维微纳楔形结构立体成像效果对比
图3 荧光标记神经元细胞的多色荧光三维成像
此外，本研究首次展示了荧光标记神经元细胞的多色荧光三维成像（如图3所示），优势在于无需多次扫描即可完成不同深度样品信息的获取，最终突破经典光学理论中带宽、视场与分辨率之间的固有矛盾，获得了高数值孔径透镜下的大视场、消色差、长焦深远场超分辨聚焦，有望为国产化高端显微成像系统提供底层硬件解决方案，推动我国高端显微成像系统自主研发进程。
本研究得到国家自然科学基金面上基金、青年基金，中国博士后基金面上基金、宁波市自然科学基金等项目资助。虞益挺教授课题组多年来深耕微纳光学成像传感领域，针对该方向已在Nanoscale、Information Fusion、Advanced Optical Materials、Microsystems & Nanoengineering、Opto-Electronic Advances、Optics Letters、Optics Express等国际知名学术期刊上发表多篇研究论文。
西北工业大学MEMS芯片与智能微系统团队是由我国MEMS领域的开拓者苑伟政教授领衔，紧密结合西工大“三航”特色，在航空航天特种MEMS芯片制造、微纳惯性敏感机理与器件、先进流动测控等方面处于国际先进水平。获得国家技术发明二等奖3项，国家教学成果一等奖1项，省部级一等奖8项。
撰稿：李文丽
审核：常洪龙、虞益挺
