将光聚焦到衍射极限点上是许多光学应用的基本先决条件之一，其中包括高分辨率成像，显微镜，光学操作和通过光刻技术进行材料处理。尤其是采用聚焦激光束对微米和纳米尺度物体的精确光学控制和操纵，已在生物光子学，微流体学和量子技术中的获得了广泛且复杂的应用。通常，为实现稳定的光学捕获，需要在空间的三个方向上提供强梯度力，以在径向方向上提供强捕获力并抵消沿轴向方向的散射力。因此，常通过使用具有很高数值孔径（NA> 0.8）的显微镜物镜来实现光聚焦。然而，这些光学部件体积庞大，成本高，远程操作能力差，且缺乏灵活性和可集成性。光纤独特的光学输出特性为解决上述限制提供了新的可能性。采用光纤可实现灵活，可远程操作的，低成本的光学操控平台。尤其是将光纤与超薄的超构表面相结合，可以在界面处实现对光束波前的数字化整形。比如通过聚焦离子束刻蚀、化学腐蚀、三维双光子激光直写等技术在光纤端面制备出菲涅尔透镜，但是由于其数值孔径相对较小（NA：0.7），仍无法采用单根光纤器件实现光学捕获和操控。 近日，为解决这一问题，德国莱布尼兹光子技术研究所和阿贝光学中心的Markus A. Schmidt教授与慕尼黑纳米研究所的Hanran Ren博士，以及英国伦敦帝国理工学院的Stefan A. Maier教授等人合作，采用3D纳米打印技术在光纤端面制备出了超大数值孔径（NA：0.9）的超构光学透镜。并首次采用单根“单模光纤+衍射光学器件”实现了微珠和细菌的光学捕获。这种新型光纤-超构透镜复合装置具有高度的灵活性，成本低廉，生物兼容好，在活体操作中具有良好的应用前景。该研究成果以 “Ultrahigh numerical aperture meta-fibre for flexible optical trapping”为题发表于《Light: Science & Applications》。 创新研究：  该研究所采用的光纤超高数值孔径超构透镜方案如图1a所示。为了便于对单模光纤输出光束进行波前整形，在单模光纤末端熔接一段纤芯直径为105 μm，长度为750 μm的多模光纤，将单模光纤输出的直径4 μm光斑，扩束至约95 μm。扩束后的光束通过光纤端面的超构透镜聚焦，形成一个紧凑的光斑，并被用来捕获粒子。通过合理设计超构透镜参数，可实现超大的数值孔径。如图1c-e所示，为所设计的光纤-超构透镜器件光斑性能的模拟计算结果。
所制备的超高数值孔径光纤-超构透镜的光学显微镜照片和扫描电子显微镜照片分别如图2a 、图2b和2c所示。研究者们采用660 nm的激光作为光源，将器件放置如水工作环境中，并对聚焦光斑进行了测量，结果如图2d-g所示，与图1中的仿真计算结果十分吻合。  图3. 采用超高数值孔径光纤-超构透镜实现光捕获。 随后研究者们采用所研制的超高数值孔径光纤-超构透镜实现了对水中自由扩散的微小物体的光捕获（在水中通常需要NA>0.8）。实验中采用波长660 nm的激光二极管作为光源，将光纤-超构透镜放置入开有透明观察窗口，且包含2 μm直径微米球的的液体存放室内（图2a）。通过一套光学显微镜来观察被捕获的微小物体的运动。该系统可以实现对玻璃微球、大肠杆菌等微小物体长时间捕获，如图3d所示，捕获时间可以超过1分钟。通过数据分析可以发现，微小物体可被长时间捕获在小于聚焦光斑的空间内。 总结： 本论文的研究者们首次提出一种新型的具有超高数值孔径（NA：0.9）的光纤-超构透镜，从实验上获得了接近衍射极限的聚焦光斑。并首次采用单根光纤-超构透镜实现了对玻璃微球和大肠杆菌的光学捕获。该光纤-超构透镜在基于光纤的共焦显微镜、用于波导耦合中的光束准直、光纤激光器、基于光纤的捕获和操纵、生物分析和生命科学等领域具潜在应用价值。 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41377-021-00491-z 免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。 |
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