拉曼混合超透镜可支持相干拉曼成像微型设备纳米|显微镜

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江苏激光联盟导读：
多国研究人员合作开发了一种混合超透镜，可以支持微型光学设备和内窥镜中的相干拉曼散射成像相干拉曼散射显微术（Coherent Raman Scattering ImagingCRS），可为内窥检查带来新的机会。
波士顿大学、哈佛大学、埃及科技大学(Misr University for Science and Technology)和加拿大滑铁卢大学的研究人员一起开发了一种消色差的混合超透镜(Metalens) ，旨在将不同波长的泵浦和斯托克斯聚焦在近红外区域。这种新的超透镜可能会为微型内窥镜的发展提供更多可能。来源：Kerolos M. A. Yousef Harvard University
基于相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering-CARS)或受激拉曼散射(stimulated Raman scattering-SRS)的CRS显微术是一种非标记定量、高空间分辨率、化学成像技术。然而，目前的台式CRS显微镜体积庞大、对人体病变和内部器官的成像能力有限。为了克服这一限制并实现更精确的医学诊断，科学家和医务人员需要能够直接应用于身体的微型手持内窥镜。
2018年，波士顿大学程继新(Ji-Xin Cheng)教授领导的一个小组开发并推出了一种使用微型物镜的手持式SRS显微镜。该小组之后一直致力于进一步将镜头的直径缩小到1到2毫米，从而更适用于内窥镜检查。
【拉曼|混合超透镜可支持相干拉曼成像微型设备】
消色差混合水浸超透镜装置。该装置包括确保所有入射光线以相同的相位延迟和群延迟到达焦点的非晶硅纳米柱超表面，可分别导致折射透镜的单色像差和色像差的校正。消色差聚焦能够实现目标分子的相干拉曼散射。来源：Peng Lin Boston University
这种混合超透镜由一个低成本、2毫米直径的平凸折射透镜组成，该透镜附在1微米高硅纳米柱组成的1.5毫米直径的超表面上。研究人员在显微镜下组装了微型折射透镜和超表面，将原来现成的平凸透镜转换成水浸式、受衍射限制的消色差透镜。
该团队面临的最大挑战之一是在通过镜头聚焦泵浦和斯托克斯光束之前，使镜头消色差。而这对相干拉曼成像至关重要。研究人员使用光线追踪软件来计算所有入射光线的相位延迟和群延迟。他们调整了超表面的相位轮廓和混合超透镜的焦距，使得所有入射光线以几乎相同的相位和群延迟到达焦点。这一步骤有助于校正折射透镜的单色和色差。
在验证了混合超透镜的焦斑大小和聚焦深度后，研究人员通过不同样本的光谱和体积CRS成像，展示了其用于微型内窥镜CRS成像的潜力。研究表明，混合超透镜可以消色差、聚焦800纳米和1040纳米的波长，具有接近衍射极限的性能，使其适合用于固体火箭发动机和汽车成像。
研究人员利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球、小鼠耳朵和卵巢癌组织的样本进一步展示了这种新超透镜如何用于体积CRS成像。这些实验可助力形成微型、基于超透镜的CRS内窥镜成像系统的新方法。
允许高质聚焦并支持泵浦和斯托克斯激光波长的高性能微型物镜对于开发手持式CRS成像系统至关重要。由于CARS和SRS使用两个不同波长(泵浦和斯托克斯)的同步脉冲激光束来匹配拉曼跃迁，因此用于这些模态的透镜需要将激光束紧密聚焦到同一点，以获得最佳信号和3D切片分辨率。
混合3微米聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和2微米聚苯乙烯(PS)微球的超透镜 SRS和CARS成像。 (a)SRS图像、(b)前向探测(向前传播)模式下PMMA(绿色)和PS微珠光谱图、(c)CARS图像、(d)后向探测(向后传播)模式下PMMA(绿色)和PS微珠光谱图。比例尺为5微米。
基于超表面的光学元件由于其结构紧凑以及通用的光学特性，在微型光学系统、深度感知、波形整形以及偏振控制中有着广泛的应用。专为近红外的泵浦和斯托克斯波长设计的混合超透镜可助力用于CRS内窥镜检查开发和CRS成像临床应用的光学设备微型化发展。
哈佛约翰保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的Federico Capasso教授说：“我们团队开发了基于超表面的微型光学元件，这些元件很平坦，无需借助显微镜的复杂物镜即可校正传统折射光学的像差。用微型消色差超透镜实现相干拉曼散射成像探头证明了超光学在微型光学系统方面的能力，并有望在使用CRS内窥镜进行无标记体内光学诊断方面取得重大进展。 ”

拉曼混合超透镜可支持相干拉曼成像微型设备

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