作者：Light新媒體

導讀

近日，來自以色列理工學院的Yoav Shechtman團隊，利用可固化透明材料的折射率匹配方法，提出了一種簡單且經濟高效的固態高性能衍射光學元件的制造方法，大幅簡化了衍射光學元件的生產流程及難度，對光學與光子學領域的發展具有重要意義。

研究背景

衍射光學元件（Diffractive optical elements, DOEs）通過單個集成的光學元件實現高度復雜的光整形任務。這種能力使DOE在像差校正，增強現實，成像系統，太陽能等多個應用領域都受到廣泛的關注。然而，高質量的光整形需要亞波長精度的制造，因此研發DOE的制造技術也極具挑戰性。復雜的 DOE 通常由數十納米分辨率的拓撲組成，這通常需要昂貴、耗時且需要特殊基礎設施的制造方法，例如光刻等方法。

增材制造 (Additive manufacturing，AM) 是一種多功能且高效的制造方法，可為復雜部件提供快速的制造和經濟高效的生產。此外，增材制造工藝對于所制造零件的幾何復雜性相對穩健。盡管增材制造最近在打印光學元件方面顯示出了有希望的結果，但增材制造在光學制造中的局限性仍然存在。這些限制與表面質量、光學特性（例如折射率、透明度）的均勻性以及精度、元件尺寸和制造持續時間之間的基本權衡有關。因此，如果能開發新的制造方案，使得DOE能夠在增材制造技術的基礎上進行制造，無疑能夠大大降低DOE的制造成本，對光學與光子學領域的應用具有極其重要的價值。 創新研究 在本研究中，研究人員提出了一種快速、簡單的基于增材制造的方案來制造全固態DOE，這種新的方案具備極高的靈活性、可用性和較低的資源成本，成功將成本與制造時間降低了數個數量級。

該方案通過結合兩種僅折射率匹配的材料，有效地將DOE的臨界尺寸從納米尺度擴大到微米尺度，并相應地增加對制造誤差的容忍度（圖一）。在該方案中，對制造精度的要求被替換成了對材料折射率的精度要求，而這較容易實現。本研究進一步地使用該方法制造了來自多個光學領域的DOE來證明該方案的實用性和普適性，包括：菲涅爾微透鏡陣列（圖二）、產生具有不同拓撲電荷數的矢量光束的螺旋相位板（圖三），用于 3D 超分辨率顯微鏡的相位掩模、編碼熒光源的軸向和光譜信息，包括它們在 MINSTED 納米顯微鏡中的應用（圖四，圖五，圖六）。

這一研究突破了現有DOE制造技術的瓶頸，對于多種光學應用的工業化具有極其重要的作用，具有極高的學術與應用價值。

圖一：制作方法。近折射率匹配固體 DOE 制造過程主要步驟的示意圖。使用市售 3D打印工具來打印 3D 模板（本工作使用了兩種不同的技術，光聚合和納米顆粒噴射，軸向分辨率約為 25 μm）。使用第一聚合物將模板轉化為第一透明層。接下來，從模板中提取第一透明層，并在第一層上方聚合第二聚合物以獲得最終的固體DOE。

圖二：微透鏡陣列（micro?lens?array，MLA）。MLA的a) 2D高度圖和 b)3D插圖。c)相機上采集的圖像，顯示 MLA 聚焦的點以及三個點的強度圖。d) 用于 MLA 演示的光學系統。e) 用于成像實驗的光學系統示意圖。f) 成像結果：兩個示例物體“NBO LAB”和一顆星星通過 MLA從手機屏幕投影，并得到了兩個相應的圖像。

圖三：螺旋相位板（spiral?phase?plate，SPP）。a）測量SPP的拓撲電荷（m）和輪廓強度的實驗裝置。b）通過球面或柱面透鏡（虛線和實線）和具有不同拓撲電荷的SPP的高斯光束成像的實驗結果；從左到右分別為 m=1,2,8。c) 用于生成矢量場奇點的實驗裝置。BE：擴束鏡；空間濾光片組件，P：偏振器，M1、M2：反射鏡，SPP：螺旋相位板，QWP：四分之一波片，PBS：偏振分束器，BS：分束器，CCD：相機。d) 顯示矢量場奇點生成的實驗結果；每行分別對應于m=1和m=2生成的一組不同的實驗測量的強度分布（右）和矢量場的理論分布（左）。

圖四：定位精度約為 1 nm的MINSTED 熒光納米顯微鏡。在 STED 和 MINSTED 納米顯微鏡中，編碼 0-2π 相位的掩模可用于產生環形焦點圖案，其中心具有“零”（最小）強度點以抑制熒光。a) STED 和 MINSTED 成像的操作原理，具有有效的點擴散函數 (EPSF)，可以通過 STED 抑制模式的強度進行調整。b) E-PSF 的半峰全寬 (FWHM) 作為 STED 功率（636 nm 波長）的函數。使用固定的單個 Cy3B 熒光團重復測量 E-PSF。顯示了數據的冪律擬合結果（虛線）。c) MINSTED 記錄了 TOM22（線粒體外膜中的一種蛋白質）在用一抗和二抗染色的 U-2 OS 細胞中的定位。通過將每個定位顯示為具有幅度統一和與其定位精度匹配的標準偏差的高斯來執行渲染（包括高精度定位的飽和度）。研究人員將此量表示為熒光團結合位點之間間距為 12 nm 的 3×3 DNA 折紙網格的累積歸一化定位概率 (CNLP)的定位。d) 單分子跡線分析的定位精度直方圖，表明中值精度（st. dev.）為 0.6 nm。e,f) DNA 折紙的兩個例子。渲染是通過將每個定位顯示為高斯分布來執行的，該高斯分布具有統一的像素和和與其定位精度相匹配的標準差（包括高精度定位的飽和度）。因此，圖像對每個像素的定位概率 (LP/pix) 進行編碼。比例尺：200 nm (c)、10 nm (e,f)。

圖五：使用 resPAINT 和 DH PSF 對細胞膜形貌進行 3D 超分辨率成像。a) 使用 1.32 NA 硅油物鏡捕獲的 100 nm 熒光珠的 DHPSF 校準。b) 卡通圖顯示了使用 resPAINT 對 Jurkat T 細胞頂端表面進行大自由度成像。c) WGA-HMSiR 在 9.4 pH 下與固定 Jurkat T 細胞（圓圈突出顯示細胞）結合的代表性框架。(d) 使用 resPAINT 和 DHPSF 獲取的細胞膜頂端表面的 3D 超分辨率圖像。該圖像包含約 30 萬個定位點，以 30 毫秒的曝光時間收集了超過 30 萬幀。為了突出細胞膜的形貌，我們將每個數據點與其局部鄰居（200 nm 半徑殼）進行比較以量化曲率。這是使用主成分分析完成的，該分析通常用于對點云數據進行分類。

圖六：多色 PSF 工程 DOE。a) 多色 DOE 的高度圖以及 515 nm（頂部）和 680 nm（底部）處的相應相位圖案。b) 使用相同 DOE 在不同軸向位置的兩種不同顏色熒光微球的實驗圖像 c) 兩種不同顏色的自由擴散熒光微球（發射峰 515nm 和 680nm） d) 示例框架，其中神經網絡獲得的定位用紅色和綠色三角形標記（左），疊加紫色神經網絡重建（右） e) 綠色和紅色熒光微球的重建 3D 軌跡 f) 兩種顏色的單一熒光團（抗小鼠 AF488 和抗小鼠 AF647 抗體）在聚賴氨酸包被的蓋玻片上，在兩個不同的軸向位置同時成像 g) 用抗 TOM20-AF647 抗體標記的固定 COS7 細胞中線粒體的超分辨率 STORM 重建，虛線放大橫截面：中空線粒體結構的示例。比例尺 b、d 和 e：2μm，g：5μm，虛線橫截面：0.5μm。

編輯：黃飛

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