打破波动效应的物理衍射极限，实现超分辨成像，始终是科研人员致力实现的重要目标，也被《Science》列为全球最前沿的125 个科学问题之一（物理领域第1个问题）。声学超透镜因具备灵活的声场调控能力，在突破传统衍射极限，提升超声成像横向分辨率，实现亚波长成像方面展现出显著优势。然而，这类超透镜存在固有的“滤波效应”，脉冲展宽直接引发纵向分辨率的大幅下降，长期制约着声学超透镜在医学诊断、精密检测等实际应用中的推广与发展。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、李飞研究员，联合华中科技大学祝雪丰教授团队，提出了一种突破性的解决方案：设计制造全参数优化的声学超透镜，成功实现了超分辨脉冲-回波成像。在基频成像模式下，该超透镜调制产生的聚焦波束能够达到80 µm（≈0.37λ）的横向分辨率，有效突破了传统的衍射极限；在采用频域重构方法后，纵向分辨率进一步提升至296 µm（≈1.36λ）。同时，研究团队还利用超声在水中传播时的非线性效应，在二次谐波成像模式下实现了更高的成像精度，横向分辨率提高至44 µm（≈0.20λ），纵向分辨率则提升至148 µm（≈0.68λ）。这一成果不仅打破了长期以来关于超透镜“必然导致纵向分辨率下降”的固有认知，也为声学超材料器件应用于功能性超声成像开辟了更广阔的应用前景。相关研究成果以“3D Acoustic Imaging Hitting the Diffraction Limit via Fully Parameter-Optimized Meta-Lens and Frequency-Domain Reconstruction”为题，发表在《Advanced Materials》上，并被选为Frontispiece（卷首插图论文）高亮推荐。

图1：文章在线截图

3D高分辨率超声成像

研究团队系统阐释了基于超构表面透镜（Meta-lens）的新型超声成像技术工作机制。该技术利用超透镜对声波的多频段协同调控能力，实现了突破传统衍射极限的成像效果：在连续波与脉冲波模式下均可获得半高全宽（FWHM）小于0.5波长的超分辨率聚焦（图A、B）；更进一步地，通过提取宽频回波信号中不同频率成分（Frequency 1-3）的深度响应特性，实现了对多深度目标（Depth 1-3）的频率域三维重建（图C）。

图2：A）利用声学超透镜实现单频连续波的点状聚焦。红色和绿色箭头分别表示基波和谐波超声波，其中谐波在传播过程中生成并累积。B）利用超透镜实现声脉冲的针状聚焦。C）利用超透镜的色散特性进行频域重建。不同频率的超声波沿声轴聚焦于不同位置，通过分析频域数据可重建反射物体的深度信息。

基于超透镜的声学成像

随后，研究团队构建了超透镜在基波和谐波频率下同步实现亚波长尺度聚焦（半高全宽FWHM < 0.5λ）的理论模型，揭示了传统超透镜的频谱滤波效应导致的声波脉冲展宽问题，指出其纵向分辨率劣化的核心挑战，创新性地提出利用透镜色散特性实现频率域重建，通过不同频率声波在传播轴上的针状聚焦定位深度信息，为恢复纵向分辨率提供解决方案，系统呈现了超透镜在声学成像中的突破性性能与工作机制。

图3：A）通过声学超透镜实现基波和谐波的亚波长聚焦。B）超透镜的滤波效应，频域滤波会导致时域声脉冲展宽，从而降低回波脉冲成像的纵向分辨率。C）超透镜针状聚焦的色散特性，可用于频域重建。D）制备的声学超透镜实物照片（插图：含超细结构的样品SEM图像）。

超透镜的横向超分辨率成像

研究团队进一步展示了超透镜在基频与谐波下实现聚焦超分辨成像实验中的应用和优势。对50 µm线宽钨板狭缝清晰成像，特别是在谐波成像下能够清晰区分鱼骨和周围组织。

图4：A）基于基波和谐波聚焦的超声回波脉冲成像示意图。B）声学成像用制备图案，SEM显示目标1的特征线宽仅为50 μm。C）用于声学成像的含鱼骨秋刀鱼组织。D）分别采用菲涅尔透镜（黄色图像）在基频（f）下及本研究超透镜在基频（f）和谐波（2f）下对（B）中狭缝图案的声学成像结果。E）D中三种情况下沿线a的回波强度分布。F）超透镜对秋刀鱼的整体粗略成像结果。G）分别采用菲涅尔透镜在基频（f）下及超透镜在基频（f）和谐波（2f）下对秋刀鱼的局部精细成像结果。

基于频域重建的三维高分辨率

成像最后，研究团队利用全参数优化的声学超透镜进行三维成像实验，最终在基频和谐波下的频域重建结果（E–H）均获得了清晰的三维图像，显著提升了纵向分辨率，成功实现了远场超分辨率三维成像。

图5：A）利用全参数优化超透镜对3D物体（如平面1和3上的两根铜线、平面2上的一根石墨棒）成像的示意图。B）平面1、2、3上3D物体的时域声学成像结果。C）沿传播轴不同位置（z=4.7、4.8、4.9、5.0和5.15 mm）聚焦超声脉冲的频谱，插图显示z=4.7、5.0和5.15 mm处聚焦脉冲的波形。D）沿插图正视图中标记的轴a、b、c反射的声脉冲频谱。E）基波成像在平面1、2、3上的频域重建结果。F）E对应的3D成像结果。G）谐波成像在平面1、2、3上的频域重建结果。H）G对应的3D高分辨率成像结果。

中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、李飞研究员、华中科技大学祝雪丰教授为论文共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院博士后李宗霖、助理研究员黄来鑫、华中科技大学硕士研究生孙琪理为论文第一作者。该研究成果得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究重点项目等项目的资助。

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