【纳米】Nano Lett.┃基于光学自旋复用超构表面的可调式相差显微成像系统

来源：X一MOL资讯

英文原题：Photonic Spin-Multiplexing Metasurface for Switchable Spiral Phase Contrast Imaging

通讯作者：徐挺，南京大学

作者：Pengcheng Huo, Cheng Zhang, Wenqi Zhu, Mingze Liu, Song Zhang, Si Zhang, Lu Chen, Henri J. Lezec, Amit Agrawal, Yanqing Lu, Ting Xu*

作为光学成像系统中最具代表性的两种工作模式，明场成像和相差成像可以提取物体的不同形态信息，因而发展一种小型化、低成本且能在这两种重要工作模式之间可切换的成像系统对于许多实际应用非常有吸引力，如生物医学成像、表面缺陷检测、人工智能目标识别等。
为此，南京大学徐挺教授课题组提出并证明了一个由傅立叶变换装置以及超构表面空间滤波器组成的成像系统可以执行二维空间差分操作，从而实现各向同性的边缘增强相差成像。如图1所示，该超构表面空间滤波器由一组矩形二氧化钛亚波长纳米结构组成，可在整个可见光范围内提供两个光学自旋依赖且相互独立的相位面。通过设计和嵌入此超构表面空间滤波器于傅立叶变换装置的焦平面上，该系统仅通过改变入射光的自旋态，就可以实现明场成像模式和相差成像模式之间的动态切换。

图1. 全介质超构表面空间滤波器
为了演示成像系统的实际功能，研究团队首先将一个标准的分辨率测试版 (1951USAF) 用作成像目标，并且通过不同波长的超连续激光来照明。对于波长分别为480 nm、530 nm、580 nm、630 nm的左旋入射光，图2第一行显示了分辨率测试版第四组结构的明场图像。这些结果对应于超构表面空间滤波器所施加的常数相位函数M1的成像效果。当入射光的偏振态由左旋转变为右旋时，图2第二行显示出相同目标测试区域的边缘增强相差图像, 其对应于超构表面空间滤波器所施加的螺旋相位函数M2的成像效果。无论方向如何，所有图形边缘的对比度都会增强，这表明这种相差成像模式是各向同性的。

图2. 左旋和右旋入射光条件下分辨率测试版的明场成像与相差成像
相差成像的一个主要优点是可以很容易地从环境中检测到折射率差异较小的样品，例如生物细胞。因此，研究团队进一步用20×物镜对未染色的洋葱表皮细胞进行可切换成像的演示。图3第一行分别为480 nm、530 nm、580 nm、和630 nm 波长的左旋入射光照射下采集的洋葱表皮细胞的明场图像。虽然可以看到细胞内的一些细胞器，但细胞壁和细胞质之间的微小振幅和相位差异使单个细胞边界难以分辨。然而，在右旋入射光的相差成像模式中，情况已经完全改变，结果如图3第二行所示。边缘增强后的相差图像显示了更多的细胞表皮细节，使得单细胞轮廓更容易被识别，这对细胞形态观察有很大的帮助。结合超构表面的平面结构、超薄厚度和高像素密度的优点，这种方法可能会在成像和显微技术这个交叉领域开辟新的应用场景。

图3. 左旋和右旋入射光条件下未染色洋葱细胞的明场成像与相差成像
这一成果近期发表在Nano Letters 上，南京大学现代工程与应用科学学院博士生霍鹏程为论文第一作者，徐挺教授为论文通讯作者，工作得到了陆延青教授的精心指导，南京大学为论文的第一单位，合作单位包括华中科技大学与美国国家标准技术研究院。