中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、物理學(xué)院周建英教授帶領(lǐng)的極限尺度光場調(diào)控團(tuán)隊，利用單硅基超構(gòu)表面技術(shù)，在實驗上實現(xiàn)了NA=1.48的超高數(shù)值孔徑，為迄今報道可見光范圍內(nèi)的數(shù)值孔徑最高值。利用該油浸超構(gòu)光學(xué)透鏡可實現(xiàn)接近衍射極限的共聚焦掃描成像。

  光學(xué)透鏡是光學(xué)與光電子學(xué)中的基本光學(xué)器件之一。光學(xué)透鏡已廣泛應(yīng)用于芯片制造、超分辨科學(xué)以及眾多高科技產(chǎn)品，其設(shè)計與制造水平一定程度上代表了光科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展水平。 
  數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡最重要的基本參量，是衡量光學(xué)系統(tǒng)收集光子能力的標(biāo)尺。對于顯微物鏡，數(shù)值孔徑越大，成像光斑越小，成像細(xì)節(jié)越清晰。超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以在不到一個光學(xué)波長的薄膜結(jié)構(gòu)層上實現(xiàn)全2π相位的精確控制，從而實現(xiàn)對光波、電磁波相位、偏振方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。基于該結(jié)構(gòu)的平面超構(gòu)光學(xué)透鏡可在百納米厚度的微納結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)超大數(shù)值孔徑顯微物鏡，從而有望克服傳統(tǒng)光學(xué)玻璃物鏡加工難度大、顯微物鏡多透鏡系統(tǒng)體積大等缺點。

圖1. (a) 超高數(shù)值孔徑超構(gòu)光學(xué)透鏡示意圖；(b) 高縱橫比微納結(jié)構(gòu)SEM圖；(c) 空氣中（NA = 0.98）聚焦光斑半峰全寬；(d) 油浸條件下（NA=1.48）聚焦光斑半峰全寬

  中山大學(xué)物理學(xué)院及光電材料與技術(shù)國家重點實驗室周建英教授團(tuán)隊以混合自適應(yīng)人工智能優(yōu)化程序設(shè)計出亞波長單晶硅超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了相位的精確控制并減小了單晶硅結(jié)構(gòu)在可見光波段的吸收。進(jìn)一步，使用該結(jié)構(gòu)演示了松柏油浸沒下數(shù)值孔徑為1.48的高透過率超構(gòu)光學(xué)透鏡，并實現(xiàn)了共聚焦激光掃描成像。該數(shù)值孔徑在理論上更可達(dá)1.73。下一步，周建英教授團(tuán)隊擬將超構(gòu)光學(xué)透鏡應(yīng)用于共聚焦激光掃描成像系統(tǒng)，從而研制出可集成、非侵入、無需熒光標(biāo)定的超越衍射極限的超分辨光學(xué)系統(tǒng)。

圖2. (a)共聚焦激光掃描樣品及(b)其細(xì)節(jié)；(c)不同聚焦斑半峰全寬對應(yīng)成像效果模擬圖；(d)共聚焦激光掃描實驗下成像效果，實驗與模擬結(jié)果符合較好

  相關(guān)研究成果以Ultrahigh Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths為題發(fā)表在Nano Letters [ 18 (7), 4460-4466, 2018 ]上。審稿人一致認(rèn)定，該光學(xué)透鏡的數(shù)值孔徑為超構(gòu)光學(xué)透鏡中現(xiàn)有報道的最高記錄。該研究工作的第一作者為梁浩文特聘副研究員，通訊作者為李俊韜副教授。中山大學(xué)為第一單位。本項目得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、廣州市集成光子系統(tǒng)與應(yīng)用重點實驗室、廣東省自然科學(xué)基金、中山大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費及國家超級計算廣州中心等支持。