光学超概况正在成像和传感中的使用

　　光学超概况已成为处理笨沉光学元件所带来的的有前途的处理方案。取保守的折射和手艺比拟，它们供给了一种紧凑、高效的光方式，可对相位、偏振和发射进行先辈的节制。本文概述了光学超概况、它们正在成像和传感手艺中的各类使用以及这些范畴的最新进展。几十年来，物理学家和工程师一曲对光学超材料入迷不已。虽然理论会商始于 20 世纪 40 年代，但正在纳米手艺和半导体系体例制手艺前进的鞭策下，过去 20~30 年才取得了严沉的尝试进展。晚期的理论侧沉于三维体纳米布局材料，但现实工做很快转向二维纳米布局光学元件，即所谓的光学超概况。这些二维超概况实现了相位和振幅的快速纳米级变化，供给了史无前例的光节制能力，从而完全改变了对光的1。光学超概况是由以二维或准二维模式陈列的光散射电介质或金属纳米布局构成的人工工程材料。这些概况为高精度节制光的偏振、相位和振幅供给了一个紧凑而复杂的平台。取依托光的折射和的保守光学分歧，光学超概况通过纳米布局的散射来光。这些纳米布局取进入的光线发生共振，并以可控的相位、偏振和光谱特征从头发射光线，从而实现对光波的切确塑制。光学超概况的次要劣势是可以或许正在薄的平面几何布局内实现复杂的光学功能。这为定制光学响应供给了极大的矫捷性，可实现保守光学元件难以实现或无法实现的功能。光学超概况可正在单层内同时实现多种光学功能，从而削减了对浩繁分立元件的需求，使系统愈加高效和紧凑。它们能够正在从可见光到红外线的各类波长范畴内工做，从而提高了各类使用的通用性。光学超概况通过供给更高的分辩率和小型化，正正在改变成像手艺。它们能够降服衍射极限，正在光学相关断层扫描(OCT)和双光子显微镜等系统中实现超分辩率成像。正在等离子体布局照较着微镜(PSIM)中，取保守方式比拟，具有周期性狭缝陈列的光学超概况可将分辩率提高 2。6 倍。双光子显微镜也得益于超概况，薄型双波长超概况物镜实现了 0。5 的高数值孔径(NA)，可用于紧凑型高分辩率成像。同样，正在 OCT 中，光学超概况提高了成像分辩率，并将焦深(DOF)扩展到 211 μm 和 315 μm，机能优于保守透镜，同时缩小了元件尺寸。从而加强计较成像能力。此外，研究人员通过将复杂的相位分布编码到单个光学超概况层上，开辟出了高效的多色全息图，正在色差校正的环境下实现了跨越 90% 的彩色成像分辩率。正在功能成像中，它们无需保守的滤光片即可供给高效的偏振阐发，从而加强了丈量和阐发偏振形态的能力。超光谱成像还得益于光学元概况，它支撑高质量的因子共振，可对变化进行超活络检测，从而实现细致的光谱阐发并加强生物传感能力。光学超概况的奇特机能也使其正在生物传感、气体传感和化学传感范畴获得普遍使用。取保守的等离子体传感器比拟，这些基于超概况的传感器具有更高的活络度、选择性和检测限，还有益于微型化和集成到便携式设备中。光学超概况的一个环节使用是将其用于加强生物标识表记标帜物检测的保守等离子体传感器，从而显著提高疾病诊断的精确性。比来的研究表白，将超概况集成到概况等离子体共振(SPR)传感器中可大大提高活络度和检测限。这些先辈的 SPR 传感器已成功检测出乙型肝炎、寨卡病毒和 SARS-CoV-2 等病毒，证了然基于超概况的生物传感器正在快速切确诊断疾病方面的潜力。保守的气体传感器反映时间慢、对变化，取之分歧的是，基于光学超概况的传感器可操纵金属-绝缘体-金属(MIM)布局中的等离子效应，供给快速、高活络度的检测。例如，超材料完满接收体(MPA)传感器因为加强了阐发物之间的彼此感化，对二氧化碳和丁烷等气体的活络度达到 22。4 ± 0。5 ppm·Hz-0。5。这种超卓的活络度，加上其玲珑的体积和快速的响应时间，使这些传感器成为普遍传感器收集的抱负选择。它们可供给城市、工业和天然中空气质量和温室气体的及时、高分辩率数据。基于光学超材料的传感器集成了微流控通道和双环谐振器，可以或许对液体或气体中的多种化学物质浓度进行及时、无标识表记标帜监测。它们可以或许按照特定的化学特征调整光学响应，因而正在监测、食物平安检测和工业过程节制方面具有很高的价值。哈佛大学的研究人员比来操纵穆勒矩阵成像手艺和纳米工程光学超概况，相关颁发正在《天然·光子学》(Nature Photonics)上。这一立异系统采用更简单的设想，只需一步就能捕获和阐发偏振光，代替了依赖多个扭转板和偏振片的保守复杂安拆。所提出的方式消弭了挪动部件，从而简化了设想。它具有及时使用的潜力，如活体组织显微镜、偏振内窥镜、视网膜扫描和无创癌症成像。正在比来颁发于《天然·通信》的一项研究中，研究人员设想了一种矫捷的传感器，可正在高对比度边缘检测和细致红外成像之间快速切换。这种可沉构性为自顺应成像和传感系统(包罗近程做物监测和定量相显微镜)供给了新的可能性，使其可以或许按照前提或用户需求调整功能。光学超概况极大地鞭策了成像和传感手艺的成长，正在超薄、紧凑的布局中供给了史无前例的光操控节制。这使得从超分辩率显微镜到高活络学检测等使用范畴都具备了新的能力和加强功能。跟着制制手艺的不竭前进，基于超概况的设备必将改变各行各业，包罗消费电子、医疗设备和科学研究。