與傳統體材料光學透鏡相比，平面衍射透鏡具有加工制備簡單、體積輕薄、便于集成等顯著優勢。同時，基于衍射效應的光學聚焦機制為實現靈活的光場調控提供了便利。近年來，在光學超振蕩理論的指引下，基于平面透鏡的遠場超衍射極限光場調控及其應用得到人們的廣泛關注。超臨界透鏡在實現超衍射極限聚焦的同時能有效控制聚焦旁瓣和焦深，成為平面超衍射透鏡的重要研究方向之一。
據麥姆斯咨詢報道，近日，暨南大學光子技術研究院科研人員在《光子學報》發表了題為“超臨界透鏡的超衍射極限光場調控研究進展”的綜述文章，總結了平面超臨界透鏡近年來的研究進展，簡述了超臨界透鏡的原理和設計方法，對構建超臨界透鏡的幾種光場調控類型及其應用進行了介紹，并對該領域的未來發展作了展望。
超臨界透鏡是指代焦斑尺寸趨近于超振蕩判據（0.38λ/NA），并具有大于傳統透鏡的聚焦焦深（2λ/NA2）而能夠形成光針效應的平面衍射透鏡。滿足該設計思想的透鏡能最大限度的平衡焦斑尺寸和能量利用效率之間的相互制約關系，有利于實際應用。
超振蕩判據概念示意圖，瑞利判據（黑色）和超振蕩判據（白色）將聚焦光斑尺寸分為三個區域：亞分辨（橙色）、超分辨（青色）和超振蕩（深藍色）；插圖為各個區域所對應的典型光斑強度分布
該文章分析了超臨界透鏡的設計方法以及構建超臨界透鏡的幾種光場調控類型。超臨界透鏡本質上是一種經過精細設計的衍射光學元件，其結構設計過程常用的方法主要包括優化算法（optimization algorithms）和免優化算法（optimization-free algorithms）兩類。由于超臨界透鏡是一種基于純光場調控方式來實現遠場超衍射極限聚焦的光學透鏡，其透鏡結構和光場調控方式主要包括二元振幅構型、二元相位構型和多級相位構型等。
二元振幅構型超臨界透鏡產生超衍射極限光針光場
超臨界透鏡陣列形成遠場超衍射極限陣列焦斑
該文章進一步分析了超臨界透鏡的典型應用。與超振蕩透鏡相比，超臨界透鏡具有溫和的旁瓣強度和次級衍射焦斑強度，焦斑在整個焦場區域內占主導地位，結合其微米級特征尺寸的結構設計所帶來的加工制造優勢，使其在光學顯微成像、全息光存儲技術、精密光學加工、超分辨光學望遠鏡、光學微操縱以及半導體檢測等領域有重要的應用價值。
基于超臨界透鏡的無標記光學超分辨顯微成像
利用超臨界光學聚焦實現超分辨磁化點
最后，科研人員總結分析了平面超臨界透鏡未來值得深入探索研究的方向，主要包括：從提高透鏡口徑和聚焦效率兩方面入手，提高聚焦光斑強度；開發新的設計方法，有效消除平面超臨界透鏡的像差；探索在光學微操控和激光精密加工制造等領域的應用，進一步拓展超臨界透鏡的應用潛力。
延伸閱讀：
《光學和射頻領域的超構材料和超構表面-2022版》
