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图1 平面透镜的傅里叶变换性质将相移信息转换为位移信息
1. 导读
光学焦点可控扫描技术在光学成像、光学微操控等领域发挥着关键作用。传统光学显微物镜可以实现亚波长聚焦和扫描成像，但系统体积过于庞大，限制了其在微纳集成光学领域的应用。此外，尽管高数值孔径物镜可以实现光场亚波长聚焦，但这种聚焦方式往往会破坏入射光场的空间相位偏振结构。因此，探索一种能够应用于微纳集成光学场景、同时能够在亚波长尺度实现任意结构光场空间位移的精确定位与移动的技术具有重要意义。针对这个问题，暨南大学研究团队设计出具有空间拓扑结构保护特性的超薄（60 nm）平面透镜，实现空间任意结构光场的亚波长聚焦（图1）。该平面透镜具有傅里叶频移变换特性，能够将初始入射光场的相移信息转化为焦点空间位置信息，实现了亚波长结构光场的精确定位与移动。该团队演示了在空间范围10
µm × 10
µm亚波长光场的聚焦与精确控制。该研究团队进一步演示了实时光学扫描成像，展示了其在光学高分辨显微成像领域的应用前景。2. 研究背景
激光焦点扫描技术广泛应用于光学显微镜成像、粒子捕获与操控、光信息处理等领域。该技术的关键在于能够有效控制单焦点或焦点阵列在焦平面上的精确移动。共聚焦扫描技术（Confocal
laser scanning）是一种典型的位移扫描技术。通过在机械平台上移动照明光源或样品实现焦点与样品之间的相对移动，从而完成共轭点间的扫描和成像。然而，位移扫描技术依赖于装置的机械移动，限制了扫描精度和速度。为了解决机械扫描这一问题，计算扫描方法被提出。通过计算全息技术实现对入射光场振幅、相位、偏振等信息的调控，进而实现激光焦点的移动与扫描。此外，利用高数值孔径物镜能进一步提高扫描精度，但其体积庞大，难以在集成光学领域得到应用。研究者通过设计超振镜透镜或超表面透镜来替代传统物镜，一方面希望能显著缩小系统的空间尺寸；另一方面还能实现亚波长聚焦。然而，现有平面透镜依然难以在微纳尺度实现任意空间结构光场的调控。3. 创新研究
针对上述挑战，付神贺、李真、陈振强教授科研团队提出一种能够精确控制亚波长结构光场聚焦的新技术。首先，该团队设计了一种具有拓扑保护以及傅里叶变换特性的高数值孔径超薄（厚度仅为60
nm）平面透镜。在空间光调制器的辅助下，利用计算全息技术实现对入射光场的相位调制；通过平面透镜傅里叶变换性质中的位移定理，将入射光场预设的相移信息转换为空间焦点的位移信息（图1）。通过有机融合上述技术，该科研团队实现了焦点在10
µm × 10
µm范围内的精确调控（图2）。基于傅里叶频移特性，该团队进一步产生亚波长焦点阵列，实现对每个焦点的独立精确调控。![]()
图2 亚波长焦点在二维平面内的精确移动
利用平面透镜的拓扑保持特性，该团队还能在亚波长尺度下产生高阶结构光场（如涡旋光场），并能对其焦点位置进行精确控制，如图3所示。![]()
图3 亚波长涡旋焦点在二维平面内的精确移动
4. 应用与展望
研究团队展示了一种新型亚波长焦点扫描技术：基于平面透镜傅里叶变换性质实现亚波长聚焦的精确控制。该技术不仅能够实现传统高斯光场的亚波长聚焦与扫描控制，还能针对高阶任意结构光场进行亚波长调控。此外，该技术能够产生光场焦点阵列，并能对每个亚波长焦点进行精确调控。该技术避免了机械移动带来的系统扰动，能够在静态系统中实现对任意结构光场的灵活控制，这使得该技术能够在扫描成像、光学微操控、激光光刻等前沿领域具有潜在应用前景。该研究成果以“Flat lens-based subwavelength focusing and
scanning enabled by Fourier translation”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Xin Zhang, Yanwen Hu,
Haolin Lin, Hao Yin, Zhen Li, Shenhe Fu, Zhenqiang Chen，其中Shenhe Fu (付神贺) 教授和Zhenqiang Chen (陈振强) 教授为共同通讯作者。
