[发明专利]光片生成器、光纤以及成像系统

说明书

本发明公开了一种光片生成器，其包括被配置为对具有预定波长的光进行衍射的超表面，所述超表面包括分别位于一基准线的两侧的第一微纳结构和第二微纳结构，所述第一微纳结构和第二微纳结构各自包括多个微纳单元，并构造成对入射第一微纳结构和第二微纳结构的光引入相位变化，以使得经过第一微纳结构衍射的光与经过第二微纳结构衍射的光在预定的片状区域中干涉相长，从而生成光片。本发明还公开了一种用于与超表面配合使用的光纤和一种具有上述光片生成器的光学显微成像装置。根据本发明，利用超表面体积小、光场调控能力强的特点，能够至少部分地克服现有光片生成系统体积大、集成难的问题。

技术领域

本发明涉及基于超表面的光学技术，具体而言，涉及一种基于超表面的光片生成器、用于所述光片生成器的光纤、以及具有所述光片生成器的成像系统。

背景技术

近年来人们提出了超表面(Metasurface)的新概念。超表面是一种能够调控光束波前的平面型结构，其由密集排列的微纳单元构成，每个单元结构均具有亚波长(小于光的波长)的尺寸。对于光波段，亚波长意味着尺寸在微米或纳米尺度。因此构成超表面的结构可以称之为微纳结构。一方面，超表面具有强大的光场操控能力，而且具有低损耗、易集成、制备工艺简单等优势，这使其具有广阔的应用前景；另一方面，超表面的新的应用还有待于人们不断探索。

与此同时，光束整形技术广泛地用于不同领域中。根据领域的不同，整形后的光束可以具有不同的形态，例如平顶光束、艾里光束等等。在荧光显微成像技术以及医学成像等领域中，光片(light sheet)有着不可替代的作用。现有的光片形成技术一般建立在柱透镜基础上，其中如图1示意性地示出的，入射光束经过柱透镜a在空间上会聚形成线状光源；通常以该线状光源聚焦位置为中心的两个瑞利距离的范围内的光斑被作为片状光束使用，例如在荧光显微成像系统中用作照明用光片。然而，本发明的发明人发现，基于柱透镜的光片形成装置体积较大、难于集成，在一些环境下难以实施。因此，需要一种新的光片形成技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超表面的光片形成技术，以至少部分地克服现有的光片形成技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种光片生成器，其包括被配置为对具有预定波长的光进行衍射的超表面，所述超表面包括分别位于一基准线的两侧的第一微纳结构和第二微纳结构，所述第一微纳结构和第二微纳结构各自包括多个微纳单元，并构造成对入射第一微纳结构和第二微纳结构的光引入相位变化，以使得经过第一微纳结构衍射的光与经过第二微纳结构衍射的光在预定的片状区域中干涉相长，从而生成光片。

优选，所述片状区域大致垂直于所述超表面而延伸。

优选，所述光片具有长度l、宽度w和厚度d，且l≥2d，w≥2d，所述光片在其厚度方向上的半高全宽小于等于10μm，优选小于等于2μm。

在一些实施例中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第一相位变化δ₁和第二相位变化δ₂，满足δ₁＝δ₂。

在另一些实施例中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第一相位变化δ₁和第二相位变化δ₂，满足δ₁-δ₂＝(2m+1)π，其中m为整数。

所述第一微纳结构与所述第二微纳结构可以构造为分别对入射其中的光进行衍射并形成两个平面波。

或者，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构可以构造成分别对入射其中的光进行衍射并形成两个曲面波，并且优选地，所述两个曲面波的波阵面在垂直于所述基准线的横截面中的截线具有随着远离所述基准线而逐渐减小的切线斜率。