中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、物理學(xué)院周建英教授帶領(lǐng)的極限尺度光場(chǎng)調控團隊，利用單硅基超構表面技術(shù)，在實(shí)驗上實(shí)現了NA=1.48的超高數值孔徑，為迄今報道可見(jiàn)光范圍內的數值孔徑最高值。利用該油浸超構光學(xué)透鏡可實(shí)現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)透鏡已廣泛應用于芯片制造、超分辨科學(xué)以及眾多高科技產(chǎn)品，其設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)系統收集光子能力的標尺。對于顯微物鏡，數值孔徑越大，成像光斑越小，成像細節越清晰。超構表面結構是一種具有橫向亞波長(cháng)尺度的微納光學(xué)結構，可以在不到一個(gè)光學(xué)波長(cháng)的薄膜結構層上實(shí)現全2π相位的精確控制，從而實(shí)現對光波、電磁波相位、偏振方式、傳播模式等特性的靈活有效調控�；�于該結構的平面超構光學(xué)透鏡可在百納米厚度的微納結構上實(shí)現超大數值孔徑顯微物鏡，從而有望克服傳統光學(xué)玻璃物鏡加工難度大、顯微物鏡多透鏡系統體積大等缺點(diǎn)。

圖1. (a) 超高數值孔徑超構光學(xué)透鏡示意圖；(b) 高縱橫比微納結構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(diǎn)實(shí)驗室周建英教授團隊以混合自適應人工智能優(yōu)化程序設計出亞波長(cháng)單晶硅超構表面結構，實(shí)現了相位的精確控制并減小了單晶硅結構在可見(jiàn)光波段的吸收。進(jìn)一步，使用該結構演示了松柏油浸沒(méi)下數值孔徑為1.48的高透過(guò)率超構光學(xué)透鏡，并實(shí)現了共聚焦激光掃描成像。該數值孔徑在理論上更可達1.73。下一步，周建英教授團隊擬將超構光學(xué)透鏡應用于共聚焦激光掃描成像系統，從而研制出可集成、非侵入、無(wú)需熒光標定的超越衍射極限的超分辨光學(xué)系統。

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

  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。審稿人一致認定，該光學(xué)透鏡的數值孔徑為超構光學(xué)透鏡中現有報道的最高記錄。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(diǎn)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(diǎn)實(shí)驗室、廣州市集成光子系統與應用重點(diǎn)實(shí)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。