新型超薄透镜可将光聚焦成“光学针”

研究人员发明了一种特殊平面透镜，能将光塑造成一根光学针——一种能在长距离内保持紧密聚焦的细光束。这种厚度仅约7微米的透镜与光学相干断层扫描（OCT）技术结合，有望在保持清晰聚焦的同时，实现更深的组织成像。

OCT技术常用于眼科，利用光线提供高分辨率三维图像，无需造影剂或标记物。来自中国中山大学的研究团队负责人Haowen Liang表示：“虽然OCT能对不同深度的结构成像，但较难捕捉组织表面极细微的细节。利用光学针，可以同时获得组织表面和内部深处清晰的高分辨率图像，有助于揭示传统系统难以看到的细节。”

已发表在《Optics Letters》的论文中，研究人员描述了这种利用微小结构产生光学针的超薄多级衍射透镜。他们展示，用新透镜替换OCT系统中的传统聚焦透镜，无需复杂的光学重新设计，成像深度就提升了九倍。梁浩文说：“这种新透镜能帮助医生更深入、更清晰地观察眼内情况，从而实现更早的疾病检测和更精准的诊断。长远来看，这项技术可用于智能手机摄像头等日常设备中，在不牺牲性能的前提下，实现更小、更简单且成本更低的成像系统。”

打造“光针”

在这项新研究中，研究人员希望在不大幅增加系统体积、复杂性及成本的前提下提升OCT性能。传统光学往往需要以更大的体积和复杂性为代价换取更好的性能。因此，他们没有使用传统光学元件，而是设计了一种极薄的多级衍射透镜，由数百万个微观阶梯状结构组成，每个结构的厚度仅为头发丝直径的一小部分。

利用衍射微结构操控光线，能将多种光学功能集成到单个器件中，保持系统紧凑、简单且经济高效。同时，它也提供了产生既极窄又极长的光学针所需的额外控制能力。梁Haowen Liang指出：“计算设计领域的进步为塑造OCT所需的光学针提供了强大的优化工具，而近期三维激光直写技术的进展，则使这些复杂结构能以极高精度制造出来。这些进步共同实现了在亚波长尺度控制光，并将复杂的光学设计转化为实用器件。”

用微型透镜实现更深层成像

研究人员成功制造了多级衍射透镜，并证明它们能将800至900纳米波长范围的宽带光聚焦为一根光学针，其平均横向焦点宽度为2.4微米，纵向焦深达2640微米，深宽比达到1100:1。

随后，他们将其中一个透镜集成到一台光谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）系统中，并与使用传统物镜、具有相似横向分辨率的SD-OCT系统进行了对比。结果显示，采用多级衍射透镜后，成像深度较传统方法延长了近九倍。

Haowen Liang说：“令人兴奋的是，如此简单的改变就能带来如此大的性能提升。仅仅更换一个透镜，我们就能在对组织成像时达到远深于前的深度，同时保持高分辨率，这用传统光学设计很难实现。”

在验证这一概念后，研究人员正致力于使光学针实现动态可调，以便根据不同的成像条件调整其形状和强度分布。他们还希望利用光学针，为消费电子设备中使用的高性能成像系统构建更为简化的光学架构。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/ol.597598