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为解决 STED 显微镜大型化、难以应用于即时检测的问题，研究人员开展了基于多维复用超构透镜实现紧凑型 STED 显微镜的研究。结果成功制备出 TiO2超构透镜并实现超分辨率成像，这为 STED 显微镜小型化和集成化奠定基础。
在生命科学和数据存储领域，受激发射损耗（STED）显微镜是一项极为重要的超分辨率成像技术。它能突破传统显微镜的局限，揭示以往难以观察到的微观细节。然而，现代 STED 显微镜却有着明显的缺陷。其体积相对庞大，只能局限在实验室环境中使用，这使得它在一些需要即时检测（point-of-care detection）的场景，如现场医疗诊断、紧急环境监测等方面，无法发挥作用。随着即时检测技术的快速发展，人们对紧凑型、便携式 STED 显微镜的需求日益迫切。虽然在光源方面已经取得了一些突破，例如用超连续谱激光器和激光二极管替代昂贵且庞大的固态激光源，降低了光源的体积和成本；同时，通过保偏光纤连接显微镜系统和激光光源，提高了显微镜的灵活性，但大型数值孔径（NA）的物镜依旧是限制 STED 显微镜小型化的关键难题，这些物镜价格高昂且体积较大，不适合用于即时检测。
为了解决这些问题，研究人员开展了关于多维复用超构透镜（metalens）应用于 STED 显微镜的研究。超构透镜是一种新型的平面透镜，它能够在亚波长尺度上对光的相位进行调控，进而实现对光的聚焦等功能。近年来，超构透镜在多种光学仪器中都有广泛应用，但在 STED 显微镜中的应用却面临挑战，因为 STED 显微镜中的激发激光和耗尽激光波长相近，却需要完全不同的相位分布，传统的光谱复用或空间复用超构透镜难以满足要求。
此次研究，研究人员设计并制备了一种 TiO2超构透镜。通过利用超构透镜的多维复用特性，使不同波长和偏振态的光能够被分别聚焦成不同的光束，从而满足 STED 显微镜的需求。研究结果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，这一成果具有重要意义，为 STED 显微镜的小型化和集成化发展开辟了新的道路，有望推动其在更多领域的应用。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是数值模拟技术，基于周期性边界条件和平面波照明对超构原子进行模拟，通过扫描 TiO2纳米鳍的宽度和长度构建相位数据图书馆，并利用时域有限差分法对 TiO2超表面进行模拟；其次是样品制备技术，通过电子束蒸发、旋涂光刻胶、电子束光刻、反应离子刻蚀（RIE）等一系列工艺制备 TiO2超构透镜。
下面具体来看研究结果：
- 多维复用超构透镜的工作原理：设计的超构透镜包含两组独立的相位分布，分别用于聚焦右旋圆偏振（RCP）的激发激光和左旋圆偏振（LCP）的耗尽激光。通过特定的相位分布公式，利用 TiO2纳米柱同时支持传播相位和几何相位的特性，实现对不同激光的精确聚焦。数值模拟结果显示，该超构透镜能将 635nm 的 RCP 光聚焦成衍射极限的高斯光束，将 780nm 的 LCP 光聚焦成高质量的甜甜圈光束（涡旋光束，拓扑荷 l = 1），且二者焦距相同、部分重叠，同时该超构表面对非偏振光的光致发光也有收集能力，具备应用于 STED 显微镜的潜力。
- TiO2超构透镜的实验验证：通过电子束光刻（EBL）和反应离子刻蚀（RIE）工艺成功制备出 TiO2超构透镜。实验表征结果表明，635nm 的 RCP 激光经超构透镜聚焦后，光斑的半高宽（FWHM）接近衍射极限，且光束在方位角方向均匀；780nm 的 LCP 激光聚焦后形成甜甜圈光束，其中心强度低，内半高宽小于 635nm 高斯光束且与之一致，方位角方向强度均匀性良好。此外，还测量了超构透镜在不同波长下的工作效率和收集效率，结果与数值模拟相符。
- 超构透镜用于 STED 成像：将制备的 TiO2超构透镜应用于 STED 显微镜中进行成像实验。以荧光纳米颗粒和 HeLa 细胞中微管为样本，实验结果显示，开启 STED 激光后，成像分辨率显著提高。荧光纳米颗粒成像的半高宽降至衍射极限的 0.7 倍，HeLa 细胞中微管成像的宽度也明显减小，表明超构透镜可用于 STED 显微镜实现超分辨率成像。同时，研究还考察了超构透镜和 STED 超分辨率成像的稳定性，结果表明热膨胀和光子漂白可忽略不计。TiO2超构透镜相比传统物镜还有诸多优势，如可大规模制备、具有自清洁特性、透镜直径可定制等，且通过进一步保护和浸没处理，有望进一步提高分辨率。
研究结论和讨论部分指出，研究人员利用多维复用策略成功设计并制备了用于 STED 显微镜的高质量 TiO2超构透镜，实现了基于超构透镜的 STED 超分辨率成像。考虑到超构透镜的紧凑特性以及集成电路的快速发展，未来有望开发出更紧凑甚至片上集成的 STED 显微镜，这将极大地拓展 STED 显微镜在生物医学研究、材料科学等众多领域的应用，推动相关领域的进一步发展。
