近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授课题组发表了自旋复用超构表面用于实现动态可切换相差成像的最新研究成果。相关工作以“Photonic spin-multiplexing metasurface for switchable spiral phase contrast imaging”为题发表于《Nano Letters》 (https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00471)。
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，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微分操作，从而实现各向同性的边缘增强成像。如图1a所示，该超构表面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子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。
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。图1b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1c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1.a 全介质超构表面空间滤波器; 实验观察未染色的洋葱表皮细胞：b左旋入射光对应的明场成像；c 右旋入射光对应的相差成像。
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。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助并得到了固体微结构物理国家重点实验室以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的支持。