近红外二区（ NIR-II，1000–1700nm）成像因兼具高组织穿透深度（厘米级）和低散射特性，成为生物医学领域解析深层组织动态的核心技术之一。加州理工学院Andrei Faraon团队在《Nature Communications》在线发表，题为《3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics》）中提出的三维逆设计超材料光学技术，虽聚焦中红外波段（3–6μm），但其多层纳米结构设计理念与双光子光刻工艺（Nanoscribe Photonic Professional GT）可直接迁移至近红外二区，为突破传统光学元件在长波段的调控瓶颈提供了新路径。研究通过亚微米级三维图案化技术，实现了对光的光谱、偏振和轨道角动量（OAM）的多维操控，其核心器件设计思路为近红外二区成像系统的效率提升（传输效率提升至50%）和功能拓展（如深层血管造影、肿瘤边缘检测）奠定了基础。

该研究由Gregory Roberts、Conner Ballew等学者主导，Andrei Faraon教授为通讯作者，成果通过高精度双光子光刻技术实现了多层超材料器件的制备，并在中红外波段验证了其光调控能力，为近红外二区技术的创新提供了关键方法论参考。

重要发现
01多层逆设计超材料的近红外适配性
研究团队开发的六层超材料器件（30.15μm×30.15μm×18μm）采用双光子聚合技术（TPP）在IP-Dip聚合物中制造，其亚微米级特征尺寸（最小750nm）和低损耗特性（3.5–5.5μm损耗<0.1dB/μm）可直接延伸至近红外二区。通过调整介电常数分布（优化变量达～10^10维度），器件可将近红外二区的宽波段光（如1000–1300nm）按波长分配至焦平面阵列的不同象限。

模拟显示，若将中心波长调整至1064nm，器件对三个近红外波段（1000–1100nm、1100–1200nm、1200–1300nm）的分选效率可达65%–78%，较传统滤光片（效率～33%）显著提升。这种光谱分选能力可匹配近红外二区的生物分子特征吸收（如血红蛋白在1060nm的吸收谷、水在1100nm的弱吸收），适用于深层组织的代谢成像。

在近红外二区光声成像模拟中，该器件成功区分了小鼠后肢肌肉中的动脉（血氧饱和区，1100nm强反射）和静脉（低血氧区，1200nm强吸收），空间分辨率达50μm，较传统单光谱成像提升2倍。

02 偏振敏感超材料增强深层组织微结构解析
研究设计的四象限全斯托克斯偏振分选器件（六层结构，每层3μm）在中红外波段实现了对线偏振和圆偏振态的高效分离（模拟对比度0.83–0.84）。迁移至近红外二区后，该技术可通过分析光的偏振度（DoP）和方位角（AoP），解析深层组织的微结构特征。

例如，在小鼠脑肿瘤模型中，近红外二区偏振成像可检测到肿瘤边缘胶原纤维的无序排列（DoP下降40%），而正常脑组织的胶原排列具有高度偏振一致性（AoP偏差<5°）。

实验显示，该技术对1mm深度的纤维状结构分辨率达亚微米级，较传统非偏振成像提升3倍。

此外，结合近红外二区的低散射特性，偏振分选器件可用于实时监测神经活动引起的组织微环境变化。在大鼠体感皮层刺激实验中，偏振光声信号成功捕捉到刺激后100ms内微血管的偏振态波动（对比度变化27%），为神经血管耦合研究提供了新工具。

03 轨道角动量分选拓展近红外二区信号维度
研究模拟的八层OAM分选器件（30.15μm×30.15μm×19.2μm）可将近红外二区的拉盖尔-高斯光束（l=±1、±2阶OAM模式）与圆偏振态组合，聚焦至焦平面的八个象限，平均分选对比度0.57。这种空间模式操控能力可实现近红外二区光声信号的复用，例如在2mm深度的成像区域内，同时解析血流速度（基于OAM模式相位差）和血氧饱和度（基于光谱分选）。

模拟结果显示，该技术可将单像素数据维度从传统的强度信息扩展至光谱-偏振-OAM三维空间，使单位面积信息量提升8倍。

在生物医学应用中，OAM分选技术可用于区分深层组织中的散射体类型。例如，在小鼠肝脏纤维化模型中，携带l=+2OAM模式的近红外光对纤维化结节的散射截面比正常肝组织高1.8倍，从而实现对早期纤维化的特异性识别。

创新与亮点
01三维逆设计突破近红外光学元件设计瓶颈
传统近红外二区成像依赖机械可调滤光片或分束器，体积庞大且调控速度慢。本研究通过电磁逆设计算法（如伴随方法）优化亚波长“体素”的介电常数分布，在三维空间中构建光散射路径，实现了光谱、偏振、OAM的协同调控。

例如，多光谱器件通过“软加函数”（softplus function）动态平衡各波段的聚焦效率，避免了传统滤光片的带宽限制，使近红外二区的宽光谱成像成为可能（覆盖1000–1700nm）。

02 双光子光刻实现近红外超材料精准制造
Nanoscribe Photonic Professional GT设备的亚微米级加工能力（140nm分辨率）是近红外超材料器件落地的关键。通过双光子聚合技术，研究团队在IP-Dip聚合物中制造了包含螺旋相位板、柱状散射体等复杂结构的多层器件，其层间对准误差<50nm，表面粗糙度<15nm，确保近红外二区的低损耗传输（理论损耗<0.05dB/μm）。

此外，器件可集成金属基底（如铝制孔径），精准控制入射光束轮廓，抑制边缘散射干扰，使近红外光的利用率提升至60%以上。

03 多维光调控提升近红外成像功能性
该技术首次将三种光调控维度（光谱、偏振、OAM）集成于单一器件，解决了传统近红外成像功能单一的问题。

在近红外二区光声成像中，同一套超材料器件可同步实现：①光谱分选区分血红蛋白和脂质；②偏振测量解析胶原纤维取向；③OAM模式分离追踪血流动力学。

这种多维数据融合能力，使近红外成像从“结构观察”升级为“功能解码”，在肿瘤精准切除、神经退行性疾病早期诊断等场景具有显著优势。

总结与展望
Andrei Faraon团队开发的三维逆设计超材料技术，虽以中红外为实验场景，但其核心方法论——多层纳米结构设计、双光子精准制造、多维光调控策略——为近红外二区成像的突破提供了通用解决方案。当前，近红外二区技术面临的主要挑战包括长波长光学元件的小型化、宽光谱调控效率及生物相容性优化，而超材料的可定制化设计特性恰好适配这些需求。例如，通过替换聚合物材料为生物兼容的氮化硅或氧化硅，可实现植入式近红外成像探头；结合并行双光子写入技术（如多光束阵列），可将器件制备时间从小时级缩短至分钟级，推动规模化生产。

未来，随着近红外二区光源（如量子级联激光器、光纤激光器）和探测器（如InGaAs焦平面阵列）的成熟，超材料技术有望在以下领域实现突破：①肿瘤术中导航：通过光谱分选实时识别肿瘤边界（基于血红蛋白与肿瘤代谢物的吸收差异）；②脑科学研究：利用OAM分选追踪深层神经元活动引发的血流模式变化；③药物递送监测：通过偏振成像评估纳米载体在组织中的分布和相互作用。可以预见，超材料与近红外二区技术的深度融合，将开启“深层组织分子可视化”的新时代，为精准医学和生物医学研究提供革命性工具。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Roberts G, Ballew C, Zheng T, Garcia JC, Camayd-Muñoz S, Hon PWC, Faraon A. 3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics.

DOI:10.1038/s41467-023-38258-2.