哈尔滨工业大学，北京理工大学Adv. Optical Mater.: 使用单层MoS2基超表面透镜产生超长横向光针聚焦

【研究背景】

由于其众多应用，高质量光针引起了极大的研究兴趣，这种光针可以在空间中沿轴向（纵向，沿光传播方向）或横向（垂直于光传播方向）产生。轴向光针为光学捕捉、超分辨率成像、高密度光存储和超精密操控提供了机会。已经开发了许多方法用于产生轴向光针，如使用折射透镜系统、抛物面镜反射系统和超表面透镜系统。超表面透镜为传统光学元件提供了轻量化、小型化、多功能和紧凑的替代方案，从而促进了平面光学的发展。轴向光针已通过在极化涡旋光束激发下使用Panchartnam-Berry超表面实现，或通过将金属薄膜（如Au、Cr）和介电薄膜（如Si₃N₄）图案化为同心带，将多焦点轴向延伸成线实现。

相比之下，横向光针引发了强烈的研究兴趣，因为与传统的点扫描方法相比，它提供了快速和高通量成像。传统的点扫描方法由于图像通量不足，限制了体积成像的速度。另外，随着横向针状焦点的发展，线扫描技术能够通过同时捕获一系列点来实现高通量成像。这种技术已应用于多种光谱技术，包括光片显微镜、选择性平面照明显微镜和光片断层成像。它可以实现高达100 fps的快速采集率，并捕获至少比传统光学系统多一到两个数量级的成像点。    

横向针状焦点传统上使用柱面透镜、通过实施空间光调制器来创建二元相位掩模，或使用Pancharatnam-Berry相位整形方法来创建。然而，这些传统光学元件具有体积大且难以集成的缺点。这些限制可以通过超表面透镜轻易克服。最近，通过开发具有扇形切割的椭圆同心Ti带，在633 nm波长下实现了长度为4 µm（7 λ）的横向光针。然而，超表面透镜仍面临其他挑战，包括突破10 λ的光针长度限制、实现亚衍射极限的横向焦点、在宽波长范围内工作以及具有易于制造的结构等。

衍射光栅为创建具有超长长度的横向光针提供了一种直接方法。然而，衍射光栅除了主要焦点外，会不可避免地产生多个高阶衍射。因此，主要焦点仅接收入射光功率的一小部分，这显著阻碍了光功率的有效利用，这是首先需要解决的问题。此外，设计焦点需要选择能为入射光提供有效相移的功能材料。原子级薄的二维过渡金属二硫化物（TMDs）由于其丰富的介电特性，为振幅和相位调制提供了前所未有的平台。TMDs的原子级平坦表面也有助于平面光学器件的制造。然而，由于其极小的厚度，TMDs中的相位累积受到抑制，并且在零反射处引入相位奇点以实现显著的相位调制。已发现在相位奇点附近，TMDs与支撑基底之间产生约π的大型阶跃式相位差。然而，这种大相位调制不可避免地伴随着零反射，导致没有可用的光功率。因此，在使用TMDs作为功能材料时，需要在相位调制和振幅调制之间建立平衡，这是需要解决的第二个问题。          

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【成果介绍】

鉴于此，哈尔滨工业大学威海校区王英英副教授和北京理工大学孙林锋教授合作发表了题为“Generation of an Ultra-Long Transverse Optical Needle Focus Using a Monolayer MoS₂ Based Metalens”的工作在Advanced Optical Materials期刊上。该工作通过将功能表面聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/单层MoS₂图案化为17条菲涅耳条纹，设计了一种反射型超表面透镜。使用该超表面透镜产生了一个具有40 µm（≈80 λ）超长长度的横向针状焦点，同时具有亚衍射极限的横向焦点（0.48 λ/NA-0.62 λ/NA，其中NA为数值孔径），以及宽工作波长范围（400 nm-800 nm）。尽管只有很少的菲涅耳条纹，实现里程碑性能的关键在于这种精确设计的结构。这些菲涅耳条纹不仅通过克服动量守恒的约束将光功率集中在一级衍射中，而且确保相邻条纹之间的相位恒定，从而在焦点处产生干涉。基于单层MoS₂的反射型超表面透镜展现出0.2到1.0π的相位差范围和0.10到0.42的反射率范围。超长横向光针焦点将促进线扫描光谱技术的发展，可能在生物学（活体组织和全脑成像）、肿瘤学（肿瘤切除的快速病理评估）和纳米制造（能量收集、光信息处理和线条图案生成）等领域找到应用。    

【图文导读】

图 1. 用于实现光反射时的有效相位和振幅调制的PMMA/单层MoS₂/SiO₂/Si多层结构。a) 示意图展示了功能表面（PMMA/MoS₂）与SiO₂/Si基底之间的相位差；b, c) 相位图显示了在532 nm (785 nm) 波长下，当SiO₂厚度从240扫描到400 nm (160-400 nm) 时，200 nm PMMA/单层MoS₂/SiO₂/Si和基底（SiO₂/Si）的复反射；d) 200 nm PMMA/单层MoS₂与SiO₂/Si基底之间相位差的绝对值随SiO₂厚度和波长的变化关系；e) 在SiO₂/Si基底上的200 nm PMMA/单层MoS₂的反射率随SiO₂厚度和波长的变化关系；f) 200 nm PMMA/单层MoS₂与SiO₂(300 nm)/Si基底之间的相位差，以及来自200 nm PMMA/单层MoS₂/SiO₂(300 nm)/Si的反射率随波长的变化关系；g) 200 nm PMMA/MoS₂与SiO₂(300 nm)/Si基底之间相位差的绝对值随MoS₂厚度和波长的变化关系；h) 在SiO₂(300 nm)/Si基底上的200 nm PMMA/MoS₂的反射率随MoS₂厚度和波长的变化关系。             

图 2. 基于单层MoS₂的反射型超表面透镜。a) 基于菲涅耳区域板透镜和衍射光栅的组合结构设计；b) 基于单层MoS₂的反射型超表面透镜的制备过程示意图；c) 点扫描模式和线扫描模式的示意图。         

图 3. 在532 nm波长下，所制备反射型超表面透镜的聚焦特性理论和实验验证。a) 反射型超表面透镜的光学图像；b) 反射型超表面透镜的SEM图像；c) 在532 nm波长下，xy焦平面和xz焦平面的归一化强度分布的理论和实验结果；d, e) xy焦平面的归一化强度分布的理论和实验结果；f) 图3c中黑色虚线对应的归一化强度的理论和实验结果；g) 图3c中白色虚线对应的归一化强度的理论和实验结果。         

图 4. 在532 nm波长下制备的反射型超表面透镜的PSF和MTF结果。a-c) 理想透镜（蓝色）和制备的超表面透镜（红色）的PSF结果；d, e) 理想透镜（蓝色）和制备的超表面透镜（红色）的MTF结果；f) 理想透镜和制备的超表面透镜的MTF随归一化空间频率的变化关系。

图 5. 宽工作波长范围内焦平面强度分布的模拟结果。a, b) 不同波长下xy焦平面和xz焦平面的光场强度分布；c) 不同波长下xy焦平面的归一化强度分布；d) 反射型超表面透镜在不同波长下的焦距；e) 不同波长下焦平面的最大电场强度；f) 不同波长下的横向聚焦点。         

【总结展望】

总之，本工作设计和制备了一种基于单层MoS₂的具有17条菲涅耳条纹的功能表面。与将光散射到多级衍射的传统衍射光栅不同，这种特殊设计的结构打破了动量守恒的限制，将入射光功率集中到一级聚焦，显著提高了光功率利用率。观察到该反射型超表面透镜产生了一个具有40 μm (≈80 λ) 超长横向长度、0.48 λ/NA - 0.62 λ/NA亚衍射极限横向聚焦点，以及400至800 nm宽工作波长范围的光针聚焦。该工作实现的长的横向光针聚焦，具有低于瑞利判据的横向聚焦点、直观简单的表面结构和可扩展的制备工艺，将促进快速高通量线扫描成像光谱的发展。此外，这还将为生物学、肿瘤学、纳米制造、能量收集和光信息处理等跨学科应用开辟广阔前景。     

【文献信息】

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