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二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件研究

物理学报 2024年第10期73卷 153-161页

作者：武志翔李新羽黄字文邹依洋熊亮邓琥尚丽平西南科技大学信息工程学院绵阳621010 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室绵阳621010 西南科技大学制造科学与工程学院绵阳621010

具有远场超分辨聚焦特性、消色差、小尺寸和易加工的光学聚焦器件在光学成像、光学显微和光刻等领域具有巨大应用潜力.本文提出了一种基于光学超振荡基本原理,结合角谱衍射理论和二进制粒子群算法的二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件... 详细信息

具有远场超分辨聚焦特性、消色差、小尺寸和易加工的光学聚焦器件在光学成像、光学显微和光刻等领域具有巨大应用潜力.本文提出了一种基于光学超振荡基本原理,结合角谱衍射理论和二进制粒子群算法的二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件设计方法.为了验证所提出设计方法,首先针对波长λ_(1)=405 nm,λ_(2)=532 nm和λ_(3)=632.8 nm的径向偏振光对二值振幅型远场超分辨聚焦器件振幅进行优化设计,再对三者振幅分布进行逻辑“与”操作,使其同时含有3个工作波长远场超分辨聚焦的振幅分布信息.仿真结果表明:在3个波长入射条件下相应的峰值半高全宽分别为0.441λ_(1) (0.179μm),0.469λ_(2 )(0.249μm)和0.427λ_(3) (0.270μm),低于阿贝衍射极限,实现了远场超分辨消色差聚焦,且同时聚焦较小的旁瓣比率(超分辨等优点,适用于光学系统微型化、集成化.所提出的设计方法可拓展至其他光学波段,并为相关光学研究领域提供核心聚焦器件.

关键词：光学超振荡消色差远场超分辨角谱衍射

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基于空间光调制器的远场超分辨光场构建

光学学报 2024年第10期44卷 347-354页

作者：李新羽黄字文赵昶栋邹依洋李占锋尚丽平邓琥武志翔西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳621010 西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室四川绵阳621010

针对传统聚焦器件受到衍射极限的限制问题,提出了一种基于空间光调制器的远场超分辨聚焦光场构建方法,采用光学超振荡原理,结合二进制粒子群算法和角谱衍射理论,针对波长λ=632.8 nm的圆偏振光,通过在空间光调制器液晶屏上加载超振荡相... 详细信息

针对传统聚焦器件受到衍射极限的限制问题,提出了一种基于空间光调制器的远场超分辨聚焦光场构建方法,采用光学超振荡原理,结合二进制粒子群算法和角谱衍射理论,针对波长λ=632.8 nm的圆偏振光,通过在空间光调制器液晶屏上加载超振荡相位掩模的方式,得到了焦距f=300000λ(18984μm)、半径R=4000λ(2531.2μm)的远场超分辨聚焦器件,并利用物镜结合互补金属氧化物半导体(CMOS)相机的测量方案对其进行特征参数表征。实验结果表明:该器件通过对入射光场的相位调控,生成了纵向半峰全宽为6.029 mm的针状聚焦光场;聚焦焦斑目标焦距位置处的横向半峰全宽为22.384μm,小于衍射极限23.732μm,实现了远场超分辨聚焦。该器件具有结构尺寸小、无需复杂加工等特点,在光学显微、光学遥感等领域中具有应用潜力。

关键词：物理光学空间光调制器光学超振荡远场超分辨聚焦角谱衍射光场测量

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基于全介质超表面的超分辨共焦集成透镜研究

基于全介质超表面的超分辨共焦集成透镜研究

作者：李怀新重庆大学

学位级别：硕士

光学显微镜的出现推动了生命科学、医药科学和材料科学等众多领域的发展。由于光的衍射效应,传统光学显微镜的成像分辨率始终受限,极大限制了远场超分辨显微技术的进步。光学超振荡利用传播波在远场精确相干叠加,理论上可以在远场构建... 详细信息

光学显微镜的出现推动了生命科学、医药科学和材料科学等众多领域的发展。由于光的衍射效应,传统光学显微镜的成像分辨率始终受限,极大限制了远场超分辨显微技术的进步。光学超振荡利用传播波在远场精确相干叠加,理论上可以在远场构建任意小的聚焦光场,这为从器件层面突破衍射极限,进而实现远场超分辨显微成像提供了新思路。近年来,利用光学超振荡器件照明和传统物镜收集实现超分辨显微在透射式共聚焦系统已经得到实验证明,但难以应用于反射式共聚焦系统。因此,面向远场、超分辨和反射式共聚焦显微对超振荡器件的需求,针对现有的超振荡器件难以实现对焦斑半高全宽压缩的同时抑制旁瓣等问题,开展超振荡器件研究,将具有重要科学意义和应用前景。本文首先针对现有光学超振荡器件存在焦斑尺寸压缩和旁瓣抑制的矛盾问题,提出了一种基于全介质超表面的超分辨共焦集成透镜。根据光学超振荡设计思想,针对波长λ=632.8nm的圆偏振光,基于几何相位型超原子实现对入射光场0～2π的连续相位调控,采用矢量角谱衍射理论和粒子群优化算法完成了超分辨共焦集成透镜的点扩散函数优化设计。设计结果表明:超分辨共焦集成透镜焦距为160λ,半径为540λ,数值孔径0.96,其点扩散函数半高全宽为0.415λ,低于阿贝衍射极限0.521λ（0.5λ/NA）,旁瓣比9.92%,理论上实现了对器件点扩散函数半高全宽的压缩和旁瓣的同步抑制。另外,该透镜将照明透镜和收集透镜集成在同一石英玻璃基底上,在共同焦距位置处兼具超分辨照明和超分辨收集功能,有望代替反射式共聚焦系统中衍射受限的传统物镜,进而提高系统成像分辨率。其次,综合考虑透镜材料、结构特征尺寸和加工精度要求等因素,对化学气相沉积、电子束曝光和干法刻蚀等微纳加工工艺展开研究,进而完成器件的制备与电镜表征。最后,通过分析现有的超振荡光场测试手段,确定并搭建了基于宽视场、大数值孔径显微系统进行器件性能的测试,实验测试结果表明超分辨共焦集成透镜点扩散函数半高全宽为0.497λ,旁瓣比为33.67%。

关键词：光学超振荡超表面超分辨集成透镜共聚焦显微

基于二值振幅相位调控的线聚焦超衍射器件研究

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基于二值振幅相位调控的线聚焦超衍射器件研究

作者：张坤重庆大学

学位级别：硕士

近年来,随着生物、医药、材料和电子等领域的发展,亟需一种远场超分辨成像和超衍射聚焦技术。然而,传统光学由于衍射极限的存在,聚焦光斑和基于白光(400nm-780nm)照明成像系统的分辨率仅为工作波长的一半,难以满足相关领域的发展。因此... 详细信息

近年来,随着生物、医药、材料和电子等领域的发展,亟需一种远场超分辨成像和超衍射聚焦技术。然而,传统光学由于衍射极限的存在,聚焦光斑和基于白光(400nm-780nm)照明成像系统的分辨率仅为工作波长的一半,难以满足相关领域的发展。因此,实现远场超分辨成像和超衍射聚焦具有重大科学意义和应用前景。本文依据超振荡思想,提出一种基于二值振幅-相位调控的超衍射远场聚焦方法;基于矢量角谱衍射方法和粒子群优化算法,采用二值振幅相位调控,对线聚焦超振荡光学器件的透射比函数进行了优化设计。器件理论设计结果:焦距为150λ(94.9μm),焦斑半宽为0.38λ(240nm),旁瓣比为25%;采用COMSOL Multiphysics软件对线聚焦超振荡光学器件进行仿真,验证了器件的聚焦性能,器件仿真结果:焦距为150.24λ(95.1μm),焦斑半宽为0.392λ(248nm),旁瓣比为23%;利用电子束光刻等加工技术,完成了器件的加工;最后采用扫描探针对器件进行了测试,器件测试结果:焦距为148λ(94μm),焦斑半宽为0.406λ(257nm),旁瓣比小于22%;经超振荡判据分析,该焦斑为超振荡聚焦。本文的主要工作具体如下:(1)介绍研究超衍射聚焦的意义和背景、光学超振荡概念,并分析了超振荡聚焦器件国内外发展现状,以及目前存在的科学与技术问题,提出设计长焦距、小旁瓣聚焦光斑的方法。(2)介绍线偏振光矢量角谱衍射的相关理论和粒子群优化算法。(3)基于矢量角谱衍射方法和粒子群优化算法,采用二值振幅相位调控,对线聚焦超振荡光学器件的透射比函数进行了优化设计,获得了器件二值振幅(0,1)和二值相位(0,π)分布;并采用COMSOL Multiphysics软件,对基于二值振幅相位调控的线聚焦超振荡光学器件进行了模拟仿真。(4)研究了基于电子束曝光系统、干法蚀刻、磁控溅射等方法的金属-介质亚波长条形结构的加工工艺,在此基础上,完成了器件的加工;并完成了器件聚焦光斑的实验表征。

关键词：光学超振荡超衍射聚焦衍射透镜微光学器件亚波长结构

应用于涡旋电磁波调控及成像的超构表面结构设计

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应用于涡旋电磁波调控及成像的超构表面结构设计

作者：成楷湘江南大学

学位级别：硕士

超构表面是由一系列亚波长人工结构阵列组成的二维超薄平面结构。相对于三维超构材料,具有二维单层结构的超构表面加工难度明显降低,并且可以利用现有的集成电路制造工艺进行加工。与此同时,和超构材料相比,超构表面的吸收损耗会小很多... 详细信息

超构表面是由一系列亚波长人工结构阵列组成的二维超薄平面结构。相对于三维超构材料,具有二维单层结构的超构表面加工难度明显降低,并且可以利用现有的集成电路制造工艺进行加工。与此同时,和超构材料相比,超构表面的吸收损耗会小很多。另外,得益于体积上的优势,超构表面可以很容易实现集成化,与现有的电磁学或光学系统兼容。涡旋电磁波是一种具有轴向相位奇异性的特殊电磁波,其具有的螺旋形波前能够产生轨道角动量。由于超构表面近年来的研究展示出其相当好的波前调控能力,人们近年来开始尝试利用超构表面进行涡旋电磁波产生和应用。目前,利用超构表面产生涡旋电磁波已经取得了一定了成果,人们利用超构表面在微波、太赫兹以及光学波段均已经生成了涡旋电磁波,但是这些方法仍存在诸如效率较低、设计方法较复杂的缺陷。本论文的主要工作是利用金属开口矩形环单元、二氧化钛介质柱单元以及硅介质柱单元,实现了太赫兹、微波以及光学波段涡旋电磁波的高效调控,并且利用超构表面探讨了一些成像相关的应用。本论文的主要研究内容及创新点如下:1.设计了一种金属开口矩形环单元构成的超构表面,通过改变单元结构的尺寸,可以使其工作在太赫兹或者微波波段。首先对单元结构相位调控的原理进行了分析。这种单元由金属开口矩形环天线和金属线光栅或金属接地面构成,其具有的准法布里-珀罗腔模式可以有效提高交叉极化反射波的比例。本文分别计算了太赫兹超构表面和微波超构表面的近场聚焦涡旋特性,计算了不同拓扑荷的涡旋波产生情况,利用模式分解,验证了设计的超构表面可以产生高纯度的涡旋波模式,最高的模式纯度可以达到90%。为了验证这项设计的实际性能,本文还对设计的微波超构表面进行了远场仿真和实验测试,结果和数值仿真较为接近,同时实验结果还表明设计的超构表面在一定的频率范围内均具有稳定的表现。2.在可见光波段,利用全介质二氧化钛超构表面提出了一种紧凑的光学超振荡的超分辨成像系统。首先,本文展示了超构表面的单元特征,基于琼斯矩阵,从理论上分析了的单元的功能,利用FDTD仿真分析了单元的相移特性。然后利用设计出的单元结构来排列整个超构表面。超构表面阵列的设计基于径向偏振拉盖尔-高斯光束电场的偏振矢量分布。本文对超构表面阵列进行了仿真计算,展示了超构表面输出的光强,并与理论结果进行了比较。仿真结果与理论结果吻合较好。接下来,本文分析了使用聚焦的径向偏振拉盖尔-高斯光束作为激励的超振荡热点的产生。通过改变尺寸参数,成功生成了超振荡热点。最后,本文模拟了使用设计的超构表面的共聚焦成像系统的点扩散函数分布,以及随机点物体和条形物体的成像特性。使用去卷积等后处理方法,理论上可以实现接近2倍的横向分辨率。3.基于全介质硅超构表面,实现了近红外波段整数及分数阶完美涡旋光束的高效产生。本文首先通过数值仿真设计了具有半波片特性的纳米柱,然后结合几何相位来设计高性能的纯相位超构表面,该超构表面在近红外范围内具有宽带和高偏振转换效率的特性。本文设计了不同的超构表面用于生成具有不同拓扑荷和入射波长的完美涡旋光束,以及具有不同拓扑荷的椭圆完美涡旋光束。此外,本文还设计了用于生成椭圆分数阶完美涡旋光束的超构表面,并研究了螺旋相位分布对强度分布的影响。超构表面的生成效率最高可以达到80%,并在相对较宽的波长范围(780-880nm)内保持在50%以上。4.提出了一种用于生成准环形艾里涡旋光束的全介质超构表面。这种超构表面基于几何相位,可以工作在近红外波段。本文设计了超构表面的单元结构,利用参数扫描选择出最合适的单元结构几何参数。然后利用设计好的单元结构,根据准环形艾里涡旋光束的相位分布,利用相位叠加对超构表面进行了排布,本文设计了若干个超构表面,讨论了拓扑荷和其他参数对生成的准环形艾里涡旋光束的影响,验证了超构表面产生的自聚焦光束焦距的可控性。计算了产生的准环形艾里涡旋光束在其聚焦位置处的模式纯度,计算得到的模式纯度最高可达90%。此外,本文还仿真了超构表面产生的准环形艾里涡旋光束与完美涡旋光束在有障碍物情况下的传播,验证了准环形艾里涡旋光束所具有的自愈特性。

关键词：超构表面涡旋电磁波轨道角动量光学超振荡光场调控

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超临界紧聚焦多维光存储研究

超临界紧聚焦多维光存储研究

作者：谢子健暨南大学

学位级别：硕士

全球数据存储市场的快速增长对高容量、低能耗的信息存储技术不断提出新的挑战。尽管光存储被认为是潜在的解决方案,但衍射极限的存在限制了其存储容量的进一步提升。为了应对这一挑战,近年来,通过光学多路复用技术在光的物理维度上创... 详细信息

全球数据存储市场的快速增长对高容量、低能耗的信息存储技术不断提出新的挑战。尽管光存储被认为是潜在的解决方案,但衍射极限的存在限制了其存储容量的进一步提升。为了应对这一挑战,近年来,通过光学多路复用技术在光的物理维度上创建正交数据通道或通过超分辨技术突破衍射极限,新一代光存储技术取得了巨大的进展。本文介绍了将多维复用技术和突破衍射极限的超临界聚焦技术相结合的超分辨多维光存储研究。本论文的第一部分工作主要围绕设计超临界聚焦相位以及超临界聚焦光斑的表征展开。采用遗传优化算法,设定种群数目、交叉概率、变异概率以及目标函数,通过种群的迭代得到超临界相位。超临界相位经过矢量德拜衍射积分的理论验证,实现了半高全宽0.38λ/NA的焦点尺寸,其中λ为入射光波长,NA为聚焦物镜数值孔径。通过搭建超临界紧聚焦光场表征系统,利用金颗粒扫描法,成功表征超临界紧聚焦焦点的点扩展函数,并利用上转换荧光颗粒Na YF:Nd/Yb/Er成功验证超临界紧聚焦相较于传统聚焦有着更高的荧光成像分辨率。本论文的第二部分工作主要围绕多层光盘的制备以及超临界紧聚焦多维光存储展开。由于无序耦合金纳米棒在光场激发下形成的电磁热点具有偏振波长依赖性,确定了以金纳米棒作为多层光盘的记录介质。通过将金纳米棒与聚乙烯醇按1:3的比例混合,利用旋涂的方式制备了厚度为1μm的记录层,并以透明聚合物HC003为隔离层,旋涂厚度为10μm,制备了单层、三层、五层乃至十层光盘。表征了金纳米棒溶液的吸收光谱、光盘的透射光谱以及光盘的逐层荧光均匀性;通过超临界聚焦实现了400 nm的盘上记录点尺寸,存储面密度提升36%;成功实现了偏振及波长的物理维度的复用,在五层光盘上实现了双波长双偏振的五层多维存储。并通过相差补偿相位矫正了轴向相差,保障了盘上低记录存储能耗和信息高保真。

关键词：光学超振荡超临界紧聚焦超分辨光存储金纳米棒五维光存储

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全介质超表面平场超分辨聚焦器件研究

全介质超表面平场超分辨聚焦器件研究

作者：张奇重庆大学

学位级别：硕士

近年来,传统光学显微系统的分辨率已很难满足生命科学、医药和环境等领域快速发展的需求。如何突破衍射极限,进而实现超分辨光学显微成像,已成为光学领域的研究热点。然而,现有的近场超分辨显微技术和远场荧光标记超分辨显微技术,在实... 详细信息

近年来,传统光学显微系统的分辨率已很难满足生命科学、医药和环境等领域快速发展的需求。如何突破衍射极限,进而实现超分辨光学显微成像,已成为光学领域的研究热点。然而,现有的近场超分辨显微技术和远场荧光标记超分辨显微技术,在实际应用时都存在一定的不足。其中近场超分辨显微系统由于工作距离远小于一个波长,只能对样品表面进行观测;远场荧光标记超分辨显微技术存在荧光漂白性和光毒性等问题。光学超振荡是一种由空间频率较低的光场分量,在远场形成局部快速振荡的现象,其可以被用于实现显微系统点扩展函数的深度压缩,这为实现远场非标记超分辨显微提供了崭新的手段。目前,光学超振荡透镜在远场超分辨显微系统中已获得成功的应用。然而,现有超振荡透镜存在严重的离轴像差,其仅能工作在正入射模式下,使得相应的显微系统只能通过移动样品的方式,实现点扫描超分辨成像,这极大地限制了成像速度。平场透镜是一种在焦平面上实现离轴像差矫正的光学元件,其可以实现对离轴光束的聚焦,进而可以通过光束扫描的方式,提升显微系统的成像速度。然而,现有平场透镜受衍射极限的制约,无法应用于远场非标记超分辨显微成像。因此,需要迫切开展平场超分辨聚焦器件的研究,解决现有超分辨显微成像速度慢的问题。针对平场超分辨聚焦器件焦斑压缩与旁瓣抑制矛盾,以及离轴像差矫正等问题。本文提出了基于矢量角谱衍射理论和粒子群优化算法的超分辨离轴像差矫正方法,采用亚波长几何相位超原子进行光场连续相位调控,实现一种平场超分辨聚焦器件的优化设计。针对波长λ=632.8 nm,对平场超分辨聚焦器件进行优化设计,器件半径为240λ(151.87μm),焦距为60λ(37.97μm),数值孔径NA为0.97,对应的衍射极限为0.515λ(0.5λ/NA)。仿真结果表明,在0°～2°入射角范围内,焦平面焦斑半高全宽均小于0.45λ(0.285μm),该尺寸小于其衍射极限;焦斑旁瓣比均小于25%;焦斑偏移量与入射角的线性相关系数为0.9997,最大偏移量为4λ(2.53μm)。根据设计要求,采用化学气相沉积、电子束曝光以及等离子体刻蚀等方法,完成了器件的制备。并搭建平场超分辨聚焦器件测试系统,采用宽视场大数值孔径显微镜,完成了器件的测试。实验结果表明,在0°～2°入射角范围内,焦平面焦斑半高全宽均小于0.47λ(0.297μm);旁瓣比均小于40%;焦斑偏移量与入射角的线性相关系数为0.9966,焦斑最大偏移量为4.1λ(2.59μm)。该器件实现了超分辨焦斑的压缩和旁瓣的抑制,矫正了焦斑的离轴像差,为进一步实现远场非标记快速超分辨显微成像提供了新的途径。

关键词：光学超振荡平场超分辨聚焦器件几何相位超原子

基于超振荡技术的太赫兹超衍射聚焦平面透镜研究

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基于超振荡技术的太赫兹超衍射聚焦平面透镜研究

作者：阮德圣重庆大学

学位级别：硕士

太赫兹成像技术在生物医学、无损检测、工业检验、公共安全领域发挥出越来越重要的作用。然而,受传统太赫兹光学器件衍射极限的制约,现有的太赫兹成像系统的分辨率较低,在应用中受到诸多限制;尽管通过近场扫描、数字图像处理的方式可以... 详细信息

太赫兹成像技术在生物医学、无损检测、工业检验、公共安全领域发挥出越来越重要的作用。然而,受传统太赫兹光学器件衍射极限的制约,现有的太赫兹成像系统的分辨率较低,在应用中受到诸多限制;尽管通过近场扫描、数字图像处理的方式可以获得较高分辨率的太赫兹图像,但存在工作距短、后续处理复杂等问题。因此,开展轻量化、长工作距的超衍射聚焦透镜的研究,突破衍射极限制约,从光学器件层面解决系统分辨率低的问题,是近年来国内外研究热点。本文基于光学超振荡技术,利用相位型调控方式,采用矢量角谱理论和粒子群优化算法设计了一种二值相位型太赫兹超衍射长焦距平面透镜。该平面透镜适用于波长λ=118.8μm的圆偏振太赫兹波,透镜半径160λ,焦距为420λ。理论计算得到焦平面上的主瓣峰值半宽为1.179λ(小于衍射极限DL=1.404λ),并在沿传播方向上形成了长度为21.7λ的超衍射光针。采用感应耦合等离子刻蚀工艺制作出二值相位型太赫兹超衍射长焦距平面透镜样品。搭建了器件聚焦性能的测试系统,测试结果表明,该平面透镜产生了焦深为33λ、超衍射长度为19.7λ的光针,且在焦距444.36λ处有半高宽为1.212λ的最小焦斑,突破了衍射极限,从实验上验证了该器件的远场超衍射聚焦特性。本文的主要工作如下:(1)调研了太赫兹超分辨技术的研究现状和分析了目前存在的关键问题,提出本文的研究目标和内容;(2)研究了超衍射、超振荡理论,以及基于超振荡技术的超衍射聚焦的实现原理,介绍了角谱理论和粒子群优化算法;(3)利用角谱传播理论和粒子群优化算法,对二值相位型超衍射聚焦平面透镜的透射函数进行优化设计得到透镜结构,并对器件的聚焦性能进行了理论计算分析;(4)采用感应耦合等离子刻蚀工艺完成了器件的加工制备,搭建了测试系统,完成器件聚焦性能的测试与分析。

关键词：太赫兹光学超振荡超衍射聚焦二值相位

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消像差平面超临界透镜光场调控特性研究

消像差平面超临界透镜光场调控特性研究

作者：李张印太原理工大学

学位级别：硕士

近年来,光学显微成像技术是研究与应用最广泛的成像技术之一,但由于光波动性的本质,其成像分辨率受到衍射极限的限制。突破衍射极限而获得超分辨的聚焦和成像始终是科学研究的热点和难点之一,并将对相关研究领域产生深远的影响。光学超... 详细信息

近年来,光学显微成像技术是研究与应用最广泛的成像技术之一,但由于光波动性的本质,其成像分辨率受到衍射极限的限制。突破衍射极限而获得超分辨的聚焦和成像始终是科学研究的热点和难点之一,并将对相关研究领域产生深远的影响。光学超振荡现象的提出与发展,开辟了一种纯光学远场超分辨成像技术的新思路。通过精心调控空间中衍射光场的分布,可以在远场获得具有超振荡特性的亚衍射光斑。该成像技术的优势在于其成像过程没有倏逝波的参与,不需要超近的工作距离,对于成像样品、照明条件及应用环境等没有特定要求与限制。超振荡透镜(Super-oscillation lenses,SOL)和超临界透镜(Supercritical lenses,SCL)作为该技术的典型代表,得到衍射光学和纳米光子学领域人员的广泛关注,在多项研究工作中充分证明了其远场超衍射极限的光场调控能力。本文基于超临界透镜的研究现状,开展了对于超临界透镜离轴像差矫正方法的研究;此外,本文还提出并通过实验证明了一种可以在多种浸没介质中工作的环境鲁棒性超临界透镜。本文研究内容主要包含以下几个方面:(1)本文设计了双层和单层两种相位结构调制方式实现超临界透镜的离轴像差矫正。本文开发了一种优化平面衍射透镜离轴像差的算法,设计了一个和相位型平面衍射透镜相匹配的修正层结构,采用迭代优化算法得到该修正层结构的相位分布,并通过与聚焦透镜相配合的双层结构方式实现像差矫正。通过优化算法,将修正层相位结构与聚焦透镜相位结合,组合构成单层复合消像差的相位型平面超透镜,实现对照明光的大角度离轴扫描聚焦效果。本文首先证明了设计的像差矫正方法对衍射受限平面透镜的消像差能力,对于直径为100μm、数值孔径为0.82的大口径菲涅尔波带片,利用双层和单层两种消像差方法,均实现了在±30°入射角范围内的像差矫正。其次对于数值孔径小于0.7的SCL,利用单层消像差方法,在±10°入射角范围内获得了无像差超越衍射极限聚焦焦斑。(2)针对目前关于亚衍射受限光调制的研究都只适用于特定的单一浸没环境,成像物镜只能与其相对应的浸没介质一同使用,改变浸没环境会严重降低其聚焦性能,限制了其应用场景。本文首先建立了一种基于不同成像介质的多目标优化算法,设计了一种对于成像介质具有鲁棒性的浸没超临界透镜,并且可以在不同成像介质中获得具有恒定尺寸的亚衍射聚焦光斑;其次实验证明了浸没超临界透镜在折射率分别为1.0、1.33和1.51的空气、水和油等常用浸没成像介质中的超分辨聚焦特性具有较强的环境鲁棒性。与以往透镜相比,该透镜的有效数值孔径可以保持在0.83左右,并可以使焦斑在三种介质中都表现出相同的317±7 nm横向尺寸。这将带来一种独特的优势,使得本文设计的浸没超临界透镜在生物成像、光捕获和光存储等多个领域具有良好的应用前景。

关键词：超分辨聚焦光学超振荡超临界透镜消离轴像差环境鲁棒性