Metasurfaces consist of artificially fabricated nanostructures and have shown potential for optical devices due to their precise control of light. Here, we demonstrate a metasurface application to improve the lateral resolution of the optical system in fluorescence microscopy based on patterned illumination. We designed and fabricated all-dielectric metasurfaces to have various encoded illumination patterns in the visible range. Super-resolution images were acquired using the designed metasurfaces in numerical simulations and in experiments. In experiments, we improved the lateral resolution to 1.71-fold of the existing system; this resolution is much finer than the diffraction limit of conventional imaging systems. We expect that our technique can provide insight into guide development of metasurfaces as patterned illumination optical devices.

1.
N.
Yu
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
F.
Aieta
,
J.-P.
Tetienne
,
F.
Capasso
, and
Z.
Gaburro
,
Science
334
,
333
(
2011
).
2.
C.
Pfeiffer
and
A.
Grbic
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
197401
(
2013
).
3.
O.
Tsilipakos
,
A. C.
Tasolamprou
,
T.
Koschny
,
M.
Kafesaki
,
E. N.
Economou
, and
C. M.
Soukoulis
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1800633
(
2018
).
4.
C.
Huang
,
C.
Zhang
,
J.
Yang
,
B.
Sun
,
B.
Zhao
, and
X.
Luo
,
Adv. Opt. Mater.
5
,
1700485
(
2017
).
5.
S.
Kruk
,
B.
Hopkins
,
I. I.
Kravchenko
,
A.
Miroshnichenko
,
D. N.
Neshev
, and
Y. S.
Kivshar
,
APL Photonics
1
,
030801
(
2016
).
6.
O.
Tsilipakos
,
T.
Koschny
, and
C. M.
Soukoulis
,
ACS Photonics
5
,
1101
(
2018
).
7.
B.
Dastmalchi
,
P.
Tassin
,
T.
Koschny
, and
C. M.
Soukoulis
,
Phys. Rev. B
89
,
115123
(
2014
).
8.
A.
Krasnok
,
M.
Tymchenko
, and
A.
Alu
,
Mater. Today
21
,
8
(
2018
).
9.
J.
Proust
,
F.
Bedu
,
B.
Gallas
,
I.
Ozerov
, and
N.
Bonod
,
ACS Nano
10
,
7761
(
2016
).
10.
V.
Flauraud
,
M.
Reyes
,
R.
Paniagua-Dominguez
,
A. I.
Kuznetsov
, and
J.
Brugger
,
ACS Photonics
4
,
1913
(
2017
).
11.
Z.
Dong
,
J.
Ho
,
Y. F.
Yu
,
Y. H.
Fu
,
R.
Paniagua-Dominguez
,
S.
Wang
,
A. I.
Kuznetsov
, and
J. K.
Yang
,
Nano Lett.
17
,
7620
(
2017
).
12.
S.
Sun
,
W.
Yang
,
C.
Zhang
,
J.
Jing
,
Y.
Gao
,
X.
Yu
,
Q.
Song
, and
S.
Xiao
,
ACS Nano
12
,
2151
(
2018
).
13.
T.
Lee
,
J.
Jang
,
H.
Jeong
, and
J.
Rho
,
Nano Convergence
5
,
1
(
2018
).
14.
J.
Jang
,
H.
Jeong
,
G.
Hu
,
C.-W.
Qiu
,
K. T.
Nam
, and
J.
Rho
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1801070
(
2019
).
15.
I.
Kim
,
G.
Yoon
,
J.
Jang
,
P.
Genevet
,
K. T.
Nam
, and
J.
Rho
,
ACS Photonics
5
,
3876
(
2018
).
16.
M.
Kim
,
I.
Kim
,
J.
Jang
,
D.
Lee
,
K.
Nam
, and
J.
Rho
,
Appl. Sci.
8
,
982
(
2018
).
17.
B.
Walther
,
C.
Helgert
,
C.
Rockstuhl
,
F.
Setzpfandt
,
F.
Eilenberger
,
E.-B.
Kley
,
F.
Lederer
,
A.
Tünnermann
, and
T.
Pertsch
,
Adv. Mater.
24
,
6300
(
2012
).
18.
L.
Huang
,
X.
Chen
,
H.
Mühlenbernd
,
H.
Zhang
,
S.
Chen
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
K.-W.
Cheah
,
C.-W.
Qiu
,
J.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Commun.
4
,
2808
(
2013
).
19.
X.
Ni
,
A. V.
Kildishev
, and
V. M.
Shalaev
,
Nat. Commun.
4
,
2807
(
2013
).
20.
L.
Huang
,
H.
Mühlenbernd
,
X.
Li
,
X.
Song
,
B.
Bai
,
Y.
Wang
, and
T.
Zentgraf
,
Adv. Mater.
27
,
6444
(
2015
).
21.
G.
Zheng
,
H.
Mühlenbernd
,
M.
Kenney
,
G.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
308
(
2015
).
22.
Z.
Li
,
I.
Kim
,
L.
Zhang
,
M. Q.
Mehmood
,
M. S.
Anwar
,
M.
Saleem
,
D.
Lee
,
K. T.
Nam
,
S.
Zhang
,
B.
Luk'yanchuk
,
Y.
Wang
,
G.
Zheng
,
J.
Rho
, and
C.-W.
Qiu
,
ACS Nano
11
,
9382
(
2017
).
23.
G.
Yoon
,
D.
Lee
,
K. T.
Nam
, and
J.
Rho
,
ACS Photonics
5
,
1643
(
2017
).
24.
G.
Yoon
,
D.
Lee
,
K. T.
Nam
, and
J.
Rho
,
ACS Nano
12
,
6421
(
2018
).
25.
M. A.
Ansari
,
I.
Kim
,
D.
Lee
,
M. H.
Waseem
,
M.
Zubair
,
N.
Mahmood
,
T.
Badloe
,
S.
Yerci
,
T.
Tauqeer
,
M. Q.
Mehmood
, and
J.
Rho
,
Laser Photonics Rev.
13
,
1900065
(
2019
).
26.
Z.
Li
,
Q.
Dai
,
M. Q.
Mehmood
,
G.
Hu
,
B.
Luk'yanchuk
,
J.
Tao
,
C.
Hao
,
I.
Kim
,
H.
Jeong
,
G.
Zheng
,
S.
Yu
,
A.
Alu
,
J.
Rho
, and
C.-W.
Qiu
,
Light: Sci. Appl.
7
,
63
(
2018
).
27.
N.
Mahmood
,
I.
Kim
,
M. Q.
Mehmood
,
H.
Jeong
,
A.
Akbar
,
D.
Lee
,
M.
Saleem
,
M.
Zubair
,
M. S.
Anwar
,
F. A.
Tahir
, and
J.
Rho
,
Nanoscale
10
,
18323
(
2018
).
28.
X.
Ni
,
Z. J.
Wong
,
M.
Mrejen
,
Y.
Wang
, and
X.
Zhang
,
Science
349
,
1310
(
2015
).
29.
M.
Khorasaninejad
,
W. T.
Chen
,
R. C.
Devlin
,
J.
Oh
,
A. Y.
Zhu
, and
F.
Capasso
,
Science
352
,
1190
(
2016
).
30.
M.
Khorasaninejad
and
F.
Capasso
,
Science
358
,
eaam8100
(
2017
).
31.
F.
Aieta
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
N.
Yu
,
R.
Blanchard
,
Z.
Gaburro
, and
F.
Capasso
,
Nano Lett.
12
,
4932
(
2012
).
32.
D.
Lin
,
P.
Fan
,
E.
Hasman
, and
M. L.
Brongersma
,
Science
345
,
298
(
2014
).
33.
A.
Arbabi
,
E.
Arbabi
,
Y.
Horie
,
S. M.
Kamali
, and
A.
Faraon
,
Nat. Photonics
11
,
415
(
2017
).
34.
S. M.
Kamali
,
A.
Arbabi
,
E.
Arbabi
,
Y.
Horie
, and
A.
Faraon
,
Nat. Commun.
7
,
11618
(
2016
).
35.
S.
Colburn
,
A.
Zhan
, and
A.
Majumdar
,
Sci. Adv.
4
,
eaar2114
(
2018
).
36.
H.-C.
Liu
,
B.
Yang
,
Q.
Guo
,
J.
Shi
,
C.
Guan
,
G.
Zheng
,
H.
Mühlenbernd
,
G.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Sci. Adv.
3
,
e1701477
(
2017
).
37.
M.
Jang
,
Y.
Horie
,
A.
Shibukawa
,
J.
Brake
,
Y.
Liu
,
S. M.
Kamali
,
A.
Arbabi
,
H.
Ruan
,
A.
Faraon
, and
C.
Yang
,
Nat. Photonics
12
,
84
(
2018
).
38.
H.
Kwon
,
E.
Arbabi
,
S. M.
Kamali
,
M.
Faraji-Dana
, and
A.
Faraon
,
Optica
5
,
924
(
2018
).
39.
E.
Abbe
,
Arch. Mikrosk. Anat.
9
,
413
(
1873
).
41.
M. J.
Rust
,
M.
Bates
, and
X.
Zhuang
,
Nat. Methods
3
,
793
(
2006
).
42.
S. W.
Hell
and
J.
Wichmann
,
Opt. Lett.
19
,
780
(
1994
).
43.
A. G.
York
,
P.
Chandris
,
D.
Dalle Nogare
,
J.
Head
,
P.
Wawrzusin
,
R. S.
Fischer
,
A.
Chitnis
, and
H.
Shroff
,
Nat. Methods
10
,
1122
(
2013
).
44.
F.
Ströhl
and
C. F.
Kaminski
,
Methods Appl. Fluoresc.
3
,
014002
(
2015
).
45.
E.
Mudry
,
K.
Belkebir
,
J.
Girard
,
J.
Savatier
,
E.
Le Moal
,
C.
Nicoletti
,
M.
Allain
, and
A.
Sentenac
,
Nat. Photonics
6
,
312
(
2012
).
46.
H.
Yilmaz
,
E. G.
van Putten
,
J.
Bertolotti
,
A.
Lagendijk
,
W. L.
Vos
, and
A. P.
Mosk
,
Optica
2
,
424
(
2015
).
47.
L.-H.
Yeh
,
L.
Tian
, and
L.
Waller
,
Biomed. Opt. Express
8
,
695
(
2017
).
48.
K.
Guo
,
Z.
Zhang
,
S.
Jiang
,
J.
Liao
,
J.
Zhong
,
Y. C.
Eldar
, and
G.
Zheng
,
Biomed. Opt. Express
9
,
260
(
2018
).
49.
X.
Zhang
,
R.
Deng
,
F.
Yang
,
C.
Jiang
,
S.
Xu
, and
M.
Li
,
ACS Photonics
5
,
2997
(
2018
).
50.
D.
Zhang
,
M.
Ren
,
W.
Wu
,
N.
Gao
,
X.
Yu
,
W.
Cai
,
X.
Zhang
, and
J.
Xu
,
Opt. Lett.
43
,
267
270
(
2018
).
51.
S.-E.
Mun
,
J.
Hong
,
J.-G.
Yun
, and
B.
Lee
,
Sci. Rep.
9
,
2543
(
2019
).
52.
D.
Lee
,
M.
Kim
,
J.
Kim
,
H.
Hong
,
T.
Badloe
,
D. S.
Kim
, and
J.
Rho
,
Opt. Mater. Express
9
,
3248
(
2019
).
53.
X.
Ding
,
F.
Monticone
,
K.
Zhang
,
L.
Zhang
,
D.
Gao
,
S. N.
Burokur
,
A.
de Lustrac
,
Q.
Wu
,
C.-W.
Qiu
, and
A.
Alu
,
Adv. Mater.
27
,
1195
(
2015
).
54.
L.
Huang
,
X.
Chen
,
H.
Muhlenbernd
,
G.
Li
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nano Lett.
12
,
5750
(
2012
).
55.
C.-S.
Park
,
V. R.
Shrestha
,
W.
Yue
,
S.
Gao
,
S.-S.
Lee
,
E.-S.
Kim
, and
D.-Y.
Choi
,
Sci. Rep.
7
,
2556
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.