二值振幅型超振荡平面透镜的设计
【重庆大学陈刚教授课题组】

    传统光学系统受到衍射效应的限制,其分辨极限是0.5λ/NA(其中,λ为照明波长,NA为光学系统数值孔径)。突破衍射极限实现超分辨聚焦和超分辨成像有着重大的科学意义和应用价值。远场超分辨空心聚焦焦斑在受激发射损耗显微、光镊、纳米光刻以及超高密度数据存储等领域展现出巨大的应用潜力。常见的产生空心聚焦焦斑方式多采用高数值孔径传统透镜对角向偏振光进行聚焦。然而,高数值孔径传统透镜体积大、价格昂贵,且受到衍射极限的制约。基于光学超振荡机制的平面透镜为实现远场超分辨空心聚焦焦斑提供了一种全新的技术途径,其不但可以实现远场超分辨聚焦,而且尺寸小、厚度薄,更有利于实现光学系统的小型化和集成化。

    重庆大学光电工程学院陈刚教授课题组致力于超衍射光学器件和超分辨成像系统等方向的研究工作。面向超衍射空心光环的产生,该研究小组提出了一种基于金属同心圆环结构的二值振幅型超振荡平面透镜,工作波长λ=632.8 nm,半径和焦距分别为650λ和200λ,对应的数值孔径为0.96。该透镜采用矢量角谱衍射理论结合粒子群优化算法的设计方法,完成二值振幅型超振荡平面透镜的设计。为了对所设计的透镜进行初步验证,采用Comsol Multiphysics对超振荡聚焦平面透镜进行实物建模仿真,获得内径半高全宽为0.346λ,仿真结果与理论设计吻合。根据设计结果,采用电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀形成同心圆环结构,完成器件制作。为了深入研究透镜的聚焦特性,采用高数值孔径光学显微系统,对所产生的角向偏振超振荡空心聚焦焦斑进行测量。实验结果表明,该透镜可以实现角向偏振光的超振荡聚焦,空心聚焦焦斑平均半高全宽为0.368λ,小于超振荡判据(0.38λ/NA)。通过与数值仿真结果对比,发现实测结果和理论结果具有较好的一致性。同时,该类型透镜具有易加工、便于集成等优点。

基于二值振幅调控的角向偏振光超振荡聚焦平面透镜

研究团队简介

    重庆大学光电系统及技术教育部重点实验室先进微纳技术协同创新团队,其研究包括超衍射光学器件与超分辨成像系统、先进生化检测平台技术与精准医疗应用和微纳能源系统三个方向。近5年来,该团队(陈刚教授、温中泉副教授、张智海副教授和梁高峰讲师)在国家973、国家自然科学基金等项目资助下,面向超衍射光学器件与超分辨成像系统,开展了光学超振荡机理、超振荡光学器件设计方法、加工工艺等方面的研究。面向超分辨聚焦、超分辨显微等需求,针对多个光学波段(可见光、近红外和太赫兹等),该团队研制出了系列超振荡光学聚焦器件等新型超衍射光学器件。基于准无衍射-超衍射器件,克服了普通超衍射聚焦器件焦深过短而无法穿透常规实验样品等不足,实现了分辨率优于0.33λ的非标记远场超分辨光学显微。近两来,先进微纳技术协同创新团队在国内外期刊发表论文40余篇、申请发明专利30余项。

 

相关论文
武志翔, 金启见, 张坤, 等. 基于二值振幅调控的角向偏振光超振荡聚焦平面透镜[J]. 光电工程, 2018, 45(4): 170660.
DOI:10.12086/oee.2018.170660