有哪些犀利的光学透镜？ 第1页

我就不说很多透镜了，我只说最近看到的一种挺有意思的透镜。

就是微球超透镜（microsphere superlens）。像下图这种：

这不就是个玻璃球吗？？？

我想说的当然不是玻璃球。。。

Q: 微球超透镜有多微呢？

2-9 um，而普通人的头发直径普遍是60-90 um，你可以拔根毛体会一下这个scale。。。

你可别小看这么小的微球，这种微球可以用来做超分辨成像！

研究人员用2-9 um直径的二氧化硅微球（你可以认为是石英）实现了横向最小分辨率为50 nm的白光显微成像。

我们知道，一般白光（就普通光学显微镜用的光源）成像的分辨率受衍射极限限制，一般认为是半波长，大约为250 nm。这个衍射极限公式想必大家普遍知道：

实验装置很简单。。。有多简单？？？

就是把微球放在我们平时用的普通光学显微镜的载物台上，准确的说是贴（直接接触）在载物台的样品上。

Nature communication就这样到手了？？？

是的呢。

这时候知乎大佬跳出来打我的膝盖：NC不就是个水刊吗？

截止目前这篇NC的谷歌引用量（年均引用率65）：

我滴乖乖，这怕不是史上最廉价的光学超分辨系统……

系统结构确定了，这个超分辨样品也比较重要呀，该找找什么样的具有超分辨结构的样品呢？

这个很容易想到，用FIB等手段刻蚀的光栅、纳米孔，结构小于衍射极限就行了。

不过作者竟然想到了用蓝光光盘！！（这可能是最廉价的样品了吧……）。

接着来测试这个超分辨系统的性能：

如上图所示，无论是用显微镜的反射光照模式还是透射模式，该微球透镜都表现出优良的超分辨特性。

上述这篇文章是微球超分辨成像的开山之作，后续产生了多种材料、液体浸没等形式的微球透镜超分辨成像，换汤不换药，这里就不一一展开讨论了。

而同样是该论文作者，现在已经将该技术开发成产品了！

结构如下图所示：

还是挺小巧的，还是电控的呢。

可以用于一些生物组织的显微成像。也可以用来成像一些物理微结构。纳米缝隙，纳米孔，纳米图案等（大家欣赏欣赏图和scale就行）。

有小伙伴对这种微球超分辨系统的原理比较感兴趣，这里我就简单介绍一下：

其实早在2004年就有文章报道了微球对光散射时形成的photonic nanojet（光子纳米射流）这一现象

平面波入射到直径只有几个微米的低折射率微球时，一部分光被散射，另一部分则被聚焦在微球后表面附近，形成了所谓的纳米射流

这种纳米射流光强度分布半高宽具有超衍射极限的特性，这就说明这种微球也许可以用来实现光学超分辨。特性除了和波长有关，还和微球的折射率（也关系到环境折射率）、大小有关。

虽然我们看到高折射率微球的聚焦点在球内，但是如果增加环境折射率，也是可以把纳米喷流转移到球外的。

从物理光学的角度可以分析超分辨的过程：

这些细微结构表面存在指数衰减的倏逝波（evanescent waves），这属于近场范畴。一般来说是不太能被普通物镜收集到，因为倏逝波包含了物体结构的细节信息，也就是高频分量，而物镜NA有限，只能收集远场信息。

当近场和远场收集器之间存在一个媒介后（也就是微球），它充当一个转换器的作用，将微结构表面的近场辐射为远场，进而被物镜收集，这样一来我们就能看到物体的高频分量，也就是细节信息，也就实现了超分辨成像。（很明显，这个过程你的物镜不能是短板，实验中一般用100倍物镜，NA：0.9-1）。

也许你觉得这个实验很简单。

是的，有时候科研就是这样，需要你细心观察，深入挖掘。

你会发现简单的东西也可以不简单。

References：

【1】Wang Z, Guo W, Li L, et al. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope[J]. Nature communications, 2011, 2(1): 1-6.

【2】Chen L W, Zhou Y, Wu M X, et al. Remote-mode microsphere nano-imaging: new boundaries for optical microscopes[J]. Opto-Electronic Advances, 2018, 1(1): 01170001.

【3】Chen Z, Taflove A, Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique[J]. Optics express, 2004, 12(7): 1214-1220.