中国科学院上海光学精密机械研究所(简称:上海光机所)成立于1964年5月,是我国建立最早、规模最大的激光科学技术专业研究所。发展至今,已形成以探索现代光学重大基础及应用基础前沿、发展大型激光工程技术并开拓激光与光电子高技术应用为重点的综合性研究所。研究...
截至2023年12月,上海光机所在职职工1042人(其中高级专业技术人员530人),博士后114人。包括:两院院士7人(其中发展中国家科学院院士3人)、中国科学院外籍院士1人,国家重点研发计划首席科学家9位、国家重大专项副总设计师2人、国家重大专项总体专家组成员9人、全国创新争先奖状2人、何梁何利基金科学与技术进步奖1人、中国青年科技奖(特别奖)1人、国家杰出青年基金获得者7人、国家优秀青年基金获得者4人、1个团队连续获得2项国家基金委创新研究群体支持、国家特支计划领军人才入选者6人、国家特支计划青年拔尖人才入选者5人……
中国科学院上海光学精密机械研究所(简称:上海光机所)是我国建立最早、规模最大的激光专业研究所,成立于1964年,现已发展成为以探索现代光学重大基础及应用基础前沿研究、发展大型激光工程技术并开拓激光与光电子高技术应用为重点的综合性研究所。重...
上海光机所国际合作工作始终围绕上海光机所的主责主业,以服务重大任务和国家需求为牵引,强化目标导向,注重内外集成协同,加强重大国际合作任务的谋划。坚持“战略布局,需求牵引,技术引领,合作共赢”的原则,基于科技部授予的国家国际科技合作基地及本单位学科技术优势,围绕“一带一路”国家倡议,深化拓展与发达国家实质性合作,夯实海外机构建设,积极培育和发起国际大科学计划,加强国际组织任职推荐,组织相关国际会议等,汇聚各类国际人才,建立以“平台-人才-项目-组织”合作模式,融入全球创新合作网络,助力上海光机所成为国际一流科研机构。上海光机所国际合作一直得到所领导的高度重视,历届所长亲自主管国际合作。1972年,上海光机所接待诺贝尔奖的美籍华裔科学家杨振宁,标志着我所第一次对外开放。2007年,被科技部首批授予“科技部国际科技合作基地”。2016年,科技部首次对全国2006-2008年间认定的113家国际合作基地进行了评估,上海光机所获评“优秀”。2021年,科技部首次对全国719家国际合作基地进行了评估,上海光机所持续获评“ 优秀”。王岐山副主席到上海光机所视察时,对上海光机所近几年取得的系列科技成果,以及重大国际合作项目“中以高功...
作为我国建立最早、规模最大的激光科学技术专业研究所,和首批上海市科普教育基地之一,中国科学院上海光学精密机械研究所(简称:上海光机所)在致力于科技创新的同时,十分重视科普工作。多年来,上海光机所借助科研院所强大的科普资源优势,围绕光学与激光科学技术,积极开展公众开放日、科普讲座、科技课堂、科普作品创...
超强激光科学卓越创新简报
(第五百三十三期)
2024年7月24日
上海光机所在基于连续变焦超构透镜的紧凑型定量相位成像研究上取得进展
近期,中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部司徒国海研究员和郭劲英副研究员团队,基于超构表面偏振敏感的特性,设计了一种基于入射线偏振态连续变焦的超构透镜,实现了系统紧凑且稳定的定量相位成像器件的设计。相关成果以 “Varifocal Metalens for Compact and Accurate Quantitative Phase lmaging”为题,发表于ACS Photonics。
相位成像对于弱吸收,强散射的物体探测有重要意义,它能够反映透明物体的局部厚度和结构的折射率信息,在生物显微、材料检测等领域具有重要的应用。在众多的相位测量技术中,光强传输方程(TIE)是一种非干涉的定量相位成像方法,它具有抗干扰能力强、系统简单、计算方便、无需相位解包裹的优点,在生物层析、自适应光学、X射线衍射成像等领域发挥了重要作用。光强传输方程需要采集一副对焦图像和多幅离焦图像来估计轴向的微分,然后再从轴向微分中获取相位信息。传统的 TIE 通过机械地移动探测器的位置或者使用电控变焦透镜获取多幅强度图像,具有稳定性差和集成度低的缺点。为了实现更加紧凑的成像系统,超表面的复用技术逐渐在该领域中得到应用。超表面是一种人工设计的光场调控器件,通过改变亚波长尺寸的共振单元结构,能够高效地调控光场的相位、振幅、波长、偏振等维度。作为一种高集成度的平面光学器件,其在全息显示、光计算、生物传感、光学成像领域的应用被广泛地研究。
研究团队使用双折射的纳米结构设计了一种基于偏振旋转的连续变焦的超透镜来采集多帧图像,即当入射线偏振光的偏振方向发生旋转时,超透镜的焦距也会发生连续的变化,从而得到在焦和不同程度的离焦图像,图1为对应的工作原理示意图。和其它变焦透镜相比,这种方法不需要对透镜本身施加任何外加驱动力,而是将变焦特性转换到照明光源的偏振调控上,因而具有稳定性高的优势。
图1 基于偏振敏感变焦超透镜的定量相位成像示意图
研究团队还设计并加工了直径600 μm,连续变焦范围25 μm的超构透镜。与常规双偏振复用超透镜不同,该偏振复用型的超透镜经过特殊的近似设计,即可达到连续变焦的效果。研究人员对超构透镜的聚焦性能进行了实验上的表征,结果如图2所示。
图2 超构透镜的变焦特性表征。(a) 不同偏振角的光入射下超透镜的聚焦表现, (b) 仿真和实验中的焦距变化曲线,以及实验测得的超透镜在 0-90° 偏振光照射下的聚焦效率。 (c) 在 TE 偏振(0°)照明下超透镜的焦斑强度和半高全宽。
研究团队将连续变焦超透镜应用于定量相位成像,通过改变照明光的偏振态,在不移动探测器的情况下获取多幅离焦图像。基于高阶 TIE 算法,研究团队能够准确且稳定地对透明物体进行定量相位成像。实验结果表明,无论是具有大梯度相位还是缓变相位的物体,均能获得良好的重建效果。
该基于偏振的连续变焦超构透镜具有紧凑、轻量化、系统简单稳定且精度高的优势,在高集成无标记显微器件上有着广阔的应用潜力。
图3 超构透镜的变焦特性表征。(a)定量相位成像实验装置示意图,BF: 带通滤波器,LP:线偏振片,PO:相位物体,ML:超透镜,OL:物镜,TL:管透镜。(b)在0-90°偏振光照射下,经实验测量和校准的相位物体强度图像。偏振 45°下的图像为聚焦图像,其他图像为离焦图像。(c)定量相位物体重建结果对比,左:白光干涉仪测得真值,中:多平面方法重建的相位结果,右:传统双平面解耦方法。(d) 虚线中相位分布的比较和残差。 MF:多平面方法,TF:双平面方法,MR:多平面残差,TR:双平面残差。
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