開始於網球球場的合作：專業顯微鏡用超穎表面代替膠帶

作為光學研究進展的一部分，無序設計的超常材料（米色矩形區域）散射入射光，並利用光散射產生高解析度和寬視場的圖像。來源：Josh Brake

這種旨在改善顯微鏡的新型光學技術的最新進展最初始於三年前的一場網球比賽。

Mooseok Jang（博士）和Yu Horie（將於2018年6月獲得博士學位），在他們各自的實驗室進行了一天的研究後，準備放鬆放鬆，他們在布勞恩體育中心球場打網球比賽時結識了加州理工學院的研究生。

Jang是工程與應用科學系電氣工程，生物工程與醫學工程教授Thomas G. Myers的學生，一直在研究一種全新的的顯微鏡技術，通過利用光散射來規避傳統的解析度（人眼視覺捕獲的細節量）和視野（視覺捕獲的區域）之間的權衡。他在研究中遇到了一個困難：用於散射光線的工具很難預測並且不可靠。

在網球賽中，Jang給Horie描述了這個令人沮喪的難題，Horie是應用物理和材料科學助理教授Andrei Faraon的學生。在Faraon的實驗室，Horie主要研究的是一種超穎表面材料，這是一種可以根據需要改變電磁性質的材料。Faraon，一位納米光子學程師，創造了由氮化硅製成的鑲嵌納米級柱子的超穎曲面。這些納米柱能夠以極高的精度控制光線，例如，像透鏡那樣彎曲光線或在平面上編碼全息圖。當他們的談話從網球場遷移到加州理工學院紅門市場的咖啡廳時，Jang和Horie意識到他們的實驗室技術結合在一起將能創造一個更可靠的、可預測的光散射材料。

Jang說：「在討論的時候，很明顯，我們可以一起努力解決這個問題。」

為了拍攝一幅視野廣闊的高解析度圖像而散射光的做法似乎有些違直覺，但過去十年里的經驗表明，它很可能是有效的。雖然散射光不會像通過透鏡的光那樣簡單地傳播，但它可以用空間光調製器（SLM）來處理高解析度的光學聚焦和成像，調製器，它將原始的散射元件進行關聯和引導，以實現高保真的光學控制。其結果是增加了可分辨的焦點，這是在更廣闊的視野中展開的，換句話說，可以形成一個視野更廣泛、畫質更清晰的圖象。

但問題是，這種方法，難以實際實施，甚至毫無意義。為了從雜亂的光中分辨出來，SLM需要知道它是如何受到散射介質影響的。目前使用的不同類型的散射介質，包括膠帶，到處都是隨機定位的懸浮粒子。當一塊膠帶被放置在光束的路徑中時，這些粒子會以隨機的方式散射光線，這就是這項研究的目標。然而，由於它們在磁帶中位置的具有隨機性，測量過程需要數周才能充分對散射進行表徵，並使高質量聚焦點超過圖像中各個點的最大數目。更糟的是，懸浮粒子在磁帶中會一直胡亂地遷移，甚至在校準過程中也是如此，這有可能使漫長的測量過程變得毫無價值。

使用像膠帶這樣的散射介質，這種表徵通常意味著通過使用SLM投影已知圖像來校準介質，然後繼續工作以確定介質對入射光的作用 - 然後一遍又一遍地重複該過程以充分表徵媒介。

然而，使用Faraon實驗室材料中生成的以完全可預測的方式散射光的元表面 - 校準時間可能會從幾小時縮短到幾分鐘，將耗時的測量過程轉換為簡單的對準過程。還有一個額外的好處，就是重新校準將不再是必不可少的。

「我認為，Yang博士和他的同事起初對此是保持懷疑的，他們認為我們不可能使用這些超穎表面達到這樣的控制精度，」Horie說。最終，他們還是被說服了，本月發表在Nature Photonics雜誌上的論文中，這兩個實驗室演示了一個對應於大於0.5的數值孔徑的高解析度圖像，具有相對寬（8毫米）的視野。該圖像估計有22億個單獨的焦點。比較而言，具有相同數值孔徑的典型高質量顯微鏡產生的焦點要少一個數量級。

隨著各種技術像這樣的不斷改進，科學家和病理學家將能夠更快更高解析度地用顯微鏡掃描樣品。

Josh Brake ，Yang實驗室的一名研究生說「希望我們的工作能激發人們對這一光學領域的更深層次的興趣，使這種顯微鏡及其優點應用到實際中當中，而不僅僅停留在概念的證明上，」他將繼續與Faraon和Yang一起研究這個項目。

因為他們突破性的合作成果，Jang和Horie已經完成了博士的工作分道揚鑣了：Jang回到了他的家鄉韓國，在那裡他繼續他的研究，而Horie在蘋果公司工作。不過，兩人仍舊保持聯繫。也都還在打網球。

文章來自phys網站，原文題目為Engineered metasurfaces replace adhesive tape in specialized microscope，由材料科技在線匯總整理。

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