研究背景與技術挑戰
傳統成像技術的局限性
傳統光學成像技術主要依賴于折射透鏡的光學原理，雖然能夠在一定程度上滿足成像需求，但在面對復雜樣本時，其性能往往受到限制。明場成像適用于觀察生物組織的整體結構，但難以捕捉到細微的邊緣和細節；而邊緣增強成像則專注于揭示物體的邊框特征，但無法提供完整的形態信息。此外，傳統成像技術在多波長成像時存在顯著的波長串擾，這對于需要精確波長控制的生物醫學成像尤其不利。例如，在熒光成像中，不同熒光標記的激發和發射波長需要精確區分，而傳統透鏡難以實現這一點。

非局域惠更斯超構透鏡的提出
為了克服上述限制，科學家們提出了非局域惠更斯超構透鏡的概念。非局域超構透鏡依賴于多個亞波長單元的集體共振響應，能夠實現高效的光譜和動量調制。不僅能夠實現高質量因數和高偏振轉換效率，還可以同時支持明場成像和邊緣增強成像，且兩者之間無串擾。這一設計為解決多模態成像中的波長選擇性和高效光操控問題提供了新的思路。

技術創新與應用
非局域惠更斯超構透鏡的設計原理
非局域惠更斯超構透鏡的核心在于其獨特的結構設計和物理機制。該超構透鏡設計不僅實現了高達65%的偏振轉換效率，還打破了傳統超薄非局域超構表面的理論極限。此外，該設計通過幾何旋轉實現了穩定的相位調制，確保了在不同旋轉角度下的一致性，這對于實現復雜的波前調制至關重要。

成像實驗與結果分析
明場成像實驗結果
明場成像實驗結果顯示，非局域惠更斯超構透鏡在1560納米的共振波長處實現了高效的聚焦。模擬和實驗結果都表明，超構透鏡的焦距為211微米，接近設計值220微米。在焦平面上，實驗測得的半高全寬為4.7微米，小于衍射極限值3.9微米，這表明該超構透鏡具有超衍射極限的成像能力。此外，超構透鏡在共振波長下的亮度比非共振波長高出十倍以上，充分證明了其優異的波長選擇性。在1560納米波長下，超構透鏡能夠清晰地顯示出USAF分辨率測試圖卡的各個線對，表明其能夠有效分辨微米級的結構細節。這種波長選擇性明場成像能力對于生物醫學成像中對特定波長光敏感的樣本具有重要意義，例如在熒光成像中，超構透鏡可以精確地選擇激發波長，從而提高成像質量和信噪比。

此外，實驗還對比了Dip1和Dip2兩種情況下的成像效果。結果顯示，Dip1的中心亮度較低，這主要是由于其主要來源于局部響應的米氏磁偶極共振（MDR），而Dip2則主要由非局域的q-BIC模式主導。由于q-BIC模式在成像場景中無法完全激發，因此在實際成像中Dip2的中心亮度相對較高。這種差異進一步證明了非局域效應在邊緣增強成像中的重要性。通過這種無串擾的自旋復用成像技術，超構透鏡能夠在同一設備中同時實現明場成像和邊緣增強成像，極大地提高了成像的靈活性和效率。

此外，實驗結果顯示，超構透鏡的性能在不同波長和偏振態下表現出高度一致性和穩定性。這種穩定性源于其獨特的結構設計和物理機制，例如q-BIC模式與Mie共振之間的相互作用，以及幾何相位調制的高效實現。這些特性使得超構透鏡在實際應用中具有廣泛的適應性和可靠性，能夠滿足從實驗室研究到臨床診斷等多種場景的需求。

總結與展望
非局域惠更斯超構透鏡的出現為成像技術的發展帶來了革命性的變化。通過巧妙的設計和先進的制造工藝，這種超構透鏡不僅實現了高質量因數和高效率的自旋復用成像，還成功克服了傳統成像技術中波長串擾和功能集成的難題。它在明場成像和邊緣增強成像方面的出色表現，使其在生物醫學、材料科學等領域具有廣闊的應用前景。未來，隨著相關技術的不斷進步，非局域惠更斯超構透鏡有望實現更高的性能和更多的功能。例如，通過優化設計和制造工藝，進一步提高其Q因數和偏振轉換效率；探索新的材料和結構，拓展其在不同波段的應用；以及結合人工智能等先進技術，實現更智能的成像控制和分析。總之，非局域惠更斯超構透鏡的出現為成像技術的發展注入了新的活力，我們期待它在未來能夠為科學研究和實際應用帶來更多的驚喜和突破。

DOI:10.1038/s41377-024-01728-3.