双波长消色散超临界透镜

作     者：吴瑾 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦飞

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超临界透镜 消色散 大口径 超临界相位 聚焦效率 

摘      要：微纳光电器件在精密设备制造、微纳加工、硅光集成、光学成像检测等方面的应用日益广泛。由于光的波动性本质光学系统都会受限于衍射极限,科学家们找到了多种突破光学衍射极限的方法,光学超振荡技术和受激辐射损耗显微成像技术是两种代表性的成果。超振荡透镜在超振荡区域会形成足够小的热点,同时不可避免的产生与热点强度相当的旁瓣,这限制了超振荡透镜的应用场景,而超临界透镜在设计时就有效平衡了焦点强度,旁瓣和热点大小的关系。受激辐射损耗显微镜的双波长共聚焦系统不可避免的会引入像差,如果将超临界透镜与受激辐射损耗技术结合有望简化成像系统和进一步提高成像分辨率。超临界透镜能应用在受激辐射损耗成像系统至少需要满足两个条件。首先是它需要对两种不同波长的激光都有超分辨共聚焦的能力;其次,激发光尤其是损耗光需具有足够的光强才会有很好的超分辨成像效果,因此超临界透镜的聚焦能力要显著提高。我们的工作围绕这两个目标展开。增大超临界透镜的尺寸和使用多阶相位调制都可以提升焦点的强度,我们改进了优化方法和电场计算方式,解决了大口径超临界透镜难以优化的问题。超临界透镜的设计建立在相位调控的理论基础上,常见的几种相位调控方式有透明介质的有效折射率传输相位,散射单元共振相位,以及二维材料的界面相位调控,我们分别设计了基于光刻胶、S纳米单元和原子层厚度的Mo S透镜验证这三种相位调控机制。在这个过程中我们探索了多种加工制备方式并加工了相关的衍射透镜,说明了大口径多阶超临界透镜在制造上面临的困难并给出了可行的解决方案。利用空间光调制器加载超临界相位调控显微物镜的聚焦,实现对双光束的超分辨共聚焦是我们上述工作的拓展,结合优化算法和德拜积分我们设计出了对640 nm,775 nm波长的激光都能实现消色散超分辨聚焦的4阶离散相位,搭建了金颗粒扫描系统,实验测量了加载超临界相位的物镜的焦斑形貌。本文的主要创新点在于我们设计了对双波长响应的大口径消色散超临界透镜,采用8阶离散相位调控的方式极大地提高了超临界透镜的聚焦效率,其聚焦效率可媲美菲涅尔波带片,结合超临界透镜的优化方法设计并验证了可用于物镜超分辨共聚焦的超临界相位,提高了物镜的分辨率。