用于变焦成像和光镊 - 扳手的偏振复用可调谐超构透镜

《Optics Communications》：Polarization-multiplexed tunable metalens for varifocal imaging and optical tweezers-spanner

　　

摘要：为解决传统金属透镜功能有限、通常为静态且不可调谐的问题，本研究提出了一种偏振复用多功能可调谐金属透镜。该器件由非晶硅纳米柱阵列集成在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上构成。通过引入偏振作为额外的自由度，实现了变焦成像与涡旋场调制之间的独立切换。在圆偏振光照射下，通过机械拉伸基底实现动态焦长调谐。当拉伸比从100%增加到108%时，焦距从6.37 μm连续调谐至28.52 μm。聚焦效率保持在37%至65%之间，同时维持了近衍射极限的成像性能。在线偏振光照射下，器件产生的聚焦场可实现粒子捕获，横向刚度为47 pN μm?1 W?1。同时，涡旋场产生高达0.129 pN μm W?1的轨道角动量诱导光学扭矩，支持绕光轴的旋转操控。本研究为设计多功能可重构金属透镜提供了新策略，并在生物光学镊子和纳米粒子操控领域展现出广阔的应用前景。

引言：金属透镜是由亚波长人工结构组成的二维平面器件。通过定制其单元几何形状和空间排列，金属透镜可在超薄尺寸内灵活控制光的相位、振幅和偏振[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。凭借高集成密度和波前控制能力，金属透镜已广泛应用于生物医学检测和微纳米尺度粒子操控。在这些应用中，光学系统不仅需要为靶标识别提供高质量成像，还需捕获微纳米物体并控制其运动轨迹。因此，将成像与光场操控集成于单一器件中非常理想。

光学镊子（OT）和光学扳手（OS）通过光学梯度力、散射力和角动量传递实现微纳米粒子的非接触捕获、定位和旋转操控[8, 9, 10, 11]。它们在粒子约束与组装、细胞分选和单细胞分析方面展现了巨大潜力。传统光学镊子系统通常依赖高数值孔径（NA）物镜形成稳定的三维光学陷阱，而光学扳手通常需要空间光调制器或衍射光学元件产生涡旋光束[12]。虽然有效，但这些系统往往体积庞大、集成度低且动态响应受限。凭借超薄外形、高集成密度和灵活的波前控制，金属透镜为微型化光学镊子-光学扳手集成提供了有前景的途径。

近年来，金属透镜在动态波前控制、微纳米粒子光学操控和偏振复用方面取得了稳步进展。2018年，Arbabi等人[13]利用微机电系统调节两个堆叠金属透镜之间的轴向间距，实现了11.3%的焦距调谐范围。2021年，Li等人[14]将光学镊子和光学扳手功能集成到金属透镜中，并演示了在可见光波段捕获聚苯乙烯纳米粒子。横向和轴向捕获刚度分别达到199.78 pN μm?1 W?1和19.38 pN μm?1 W?1，突显了金属透镜在粒子操控方面的潜力。同年，Shen等人[15]利用Pанcharatnam-Berry相位金属透镜产生聚焦涡旋光场，实现了银粒子的稳定捕获和轨道角动量驱动的旋转。2022年，Zhu等人[16]利用偏振依赖的双焦圆柱矢量光束在太赫兹波段实现了轴向和横向粒子捕获。同样在2022年，Archetti等人[17]基于硅纳米结构的热光效应开发了可热重构金属透镜。该器件实现了21%的焦距调谐范围，同时保持了近衍射极限的聚焦性能。2023年，Lu等人[18]利用偏振复用金属透镜在两个正交偏振通道中产生聚焦高斯场和聚焦涡旋场。聚焦高斯场和涡旋场的数值孔径分别约为0.96和0.82。通过改变入射偏振态，器件可在粒子捕获和旋转操控之间切换。2024年，Xiao等人[19]在柔性PDMS基底上构建了可拉伸金属透镜，实现了213.8%的动态焦距调谐范围，同时保持近衍射极限的聚焦性能。2025年，Wu等人[20]利用聚焦涡旋金属透镜在紫外波段实现了粒子捕获和旋转操控，横向光学力达到3.45 pN W?1。总体而言，现有研究在三个主要方向上推进了基于金属透镜的光学操控。基于MEMS、热效应和柔性基底的可调谐设计实现了焦距调谐和焦场重构，但通常依赖单一调制机制。PB相位、涡旋场和偏振工程设计实现了光学镊子-光学扳手集成，但其光场分布通常固定。偏振复用实现了功能切换，但仍难以与机械调谐结合。因此，将偏振复用与机械重构集成于单一可调谐金属透镜中仍是一个关键挑战。

为解决这一挑战，我们提出了一种基于柔性PDMS基底的偏振复用多功能可调谐金属透镜。通过将偏振复用和机械调谐纳入同一平台，该器件实现了集成光学镊子和光学扳手功能的两个自由度控制。在线偏振通道下，它同时产生光学镊子和聚焦涡旋场，实现粒子捕获和轨道角动量驱动的旋转。在圆偏振通道下，机械拉伸实现了连续变焦和高质量成像。本研究解决了传统器件中单一功能操作与静态不可调谐行为之间的权衡问题，为集成生物操控、微纳米光学操作和基于可重构金属透镜的系统提供了紧凑的策略。

分节片段

物理原理：为在单一可拉伸金属透镜中集成光束聚焦与光学镊子-光学扳手功能，我们采用了一种混合相位工程策略，结合了传播相位和PB相位。通过定制纳米柱几何形状及其传播相位响应，器件获得了额外的相位设计自由度[21]，能够在同一偏振通道内实现独立的波前控制。对于垂直入射到旋转角度为θ的纳米柱上的圆偏振光，其Jones透射矩阵可表示为……

动态变焦成像：基于上述设计策略，在柔性基底上构建了可拉伸金属透镜。随后进行了有限差分时间域（FDTD）仿真，以系统评估其动态焦长调谐、数值孔径（NA）、焦斑尺寸和聚焦效率。

图2(a)和图2(b)分别展示了器件在未拉伸和拉伸状态下的工作原理。在未拉伸状态下，金属透镜通过补偿入射波前……

结论：为解决现有基于金属透镜的系统中功能固定、动态可调谐性有限以及多功能光学操控与动态控制难以集成的问题，本研究设计并数值演示了一种基于柔性PDMS基底的偏振复用可拉伸金属透镜。该器件集成了偏振依赖的功能切换与机械驱动的动态调谐。在圆偏振光照射下，增加PDMS拉伸比……

CRediT作者贡献声明：杨红燕：概念构思。谢子轩：数据管理。卓燕生：软件。沈超：数据管理。刘凌峰：数据管理。李其明：调查。李建新：资源。萧功利：概念构思。

利益冲突声明：作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢：本工作部分得到了国家自然科学基金（62165004）和广西研究生教育创新项目（YCSW2025336）的支持。

杨红燕 | 谢子轩 | 卓燕生 | 沈超 | 刘凌峰 | 李其明 | 李建新 | 萧功利
桂林电子科技大学光电工程学院，中国桂林，邮编541004