一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法技術

本發明專利技術公開了一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法，通過制作環形分區的圓盤型超透鏡和濾光片，都包括圓盤、內圓環部分和外圓環部分，外圓環部分都是透明的基底材料，濾光片的環形分區的半徑與分區數量和環形分區的超透鏡一樣，并精確同軸對準，實現雙光束超分辨聚焦。本發明專利技術將環形分區的超材料透鏡和環形分區的濾光片結合，本發明專利技術運用于雙光束超分辨率光刻，雙光束超分辨率超高密度光學數據存儲以及雙光束超分辨率熒光成像。本發明專利技術集成度高，尺寸小，厚度很薄，重量非常輕，像差和色差可以優于現有的高質量物鏡或單個自由曲面透鏡。

【技術實現步驟摘要】
一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法
本專利技術涉及到光學領域，尤其涉及到一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法，利用人工微結構超材料對入射光的相位調制特性制作的同軸環形分區超透鏡和環形分區濾光片組成的超分辨聚焦方法。
技術介紹
激光束通過高數值孔徑的物鏡聚焦可以獲得衍射受限的最小光斑尺寸大約是波長的一半。物鏡聚焦激光束產生的光斑用于激發熒光成像，光學數據記錄，光刻技術以及激光加工處理等的分辨率也受到了限制。StefanHell的雙光束超分辨率熒光成像技術，即受激發射耗散顯微鏡，利用了兩束激光同時通過一個高數值孔徑物鏡聚焦的雙光束超分辨率技術獲得了遠遠超越光學衍射極限的熒光圖像分辨率。雙光束超分辨率技術中，一束激發樣品熒光的激光聚焦后獲得一個尺寸在衍射極限附近的圓形光斑，即光斑強度分布的半高全寬度大約在波長的一半左右。另一束波長不同的激光則在合束前通過螺旋位相調制，成為一束拓撲荷為1，光子具有角動量的渦旋位相光束。該光束經物鏡聚焦后產生一個與圓形光斑同軸的環形光斑。該波長的環形光斑可以使圓形光斑激發熒光的區域遠小于光學衍射極限。從而使超越衍射極限的超分辨率熒光成像成為可能。雙光束技術也可以應用到超高密度光學數據存儲中，現有的商品化光盤刻錄和讀出技術并未采用雙光束技術，其存儲密度以及光盤壽命已經不能滿足大數據信息時代對信息存儲的要求。因此采用雙光束技術提高信息在光盤上的刻錄和讀出密度已經是勢在必行。雖然，高質量的高數值孔徑物鏡的像差校正得已比較好，但是物鏡是由多個透鏡組合而成，而且一般設計過程是對一個比較寬的波段進行設計的，因此像差以及色差不可能完全被校正。另一方面物鏡的質量體積也都比較大，很難在機械和電子伺服系統控制下進行高密度多點掃描信息刻錄或讀出，特別是限制了超高密度光盤數據存儲系統讀寫頭或超分辨率光刻系統刻錄頭的小型化。現有的光盤讀寫系統利用自由曲面光學表面設計方法以及高精度自由曲面光學表面加工技術制作的單個小型玻璃微透鏡實現激光的聚焦，從而實現光盤信息的寫入和讀出。激光波前的改變是通過透鏡材料折射率和厚度的變化實現的，聚焦光斑尺寸仍然受剩余像差影響，分辨率也不會小于衍射極限。只有減小波長，才能減小光斑尺寸。紫外光刻技術使用了波長較短的紫外光從而提高了光刻分辨率。現有的單光束通過物鏡聚焦的光斑尺寸衍射受限，采用雙光束超分辨率聚焦技術，而雙光束超分辨率聚焦技術需要一個獨立和分離的渦旋位相板對其中一個激光束進行渦旋位相調制，從而產生與另一個波長的激光聚焦產生的實心圓形光斑同軸的環形光斑，以限制實心圓形光斑在光刻記錄中刻錄尺寸，熒光成像中的熒光激發范圍，光盤信息寫入和讀出中信息點大小。但是這樣的雙光束超分辨聚焦系統需要對兩個波長的像差和色差進行很好校正的高質量物鏡。整個聚焦系統不僅需要一個單獨和分離的渦旋位相板，而由多片透鏡組成的復合物鏡體積較大，難以在超高密度超分辨率光盤信息的寫入和讀出中，由機械和電子伺服系統控制下進行光盤信息點的高速掃描。單個的自由曲面透鏡雖然體積可以做得比較小，但很難實現像差和色差的精確校正，也無法實現與渦旋位相板集成在一起。
技術實現思路
為了克服上述雙光束超分辨率聚焦系統由體積和尺寸較大的物鏡和獨立分離的渦旋位相板組成的缺陷，對雙波長激光聚焦無法精確校正像差和色差的困難以及無法小型化以適應和滿足高速精確掃描的需求，本專利技術提出了利用人工微結構納米天線對入射光的精確相位調制特性，制作環形分區的納米天線陣列構成的體積和尺寸非常小的超透鏡配合相應的環形分區的圓形濾光片實現雙光束超分辨聚焦。為實現上述目的，本專利技術是根據以下技術方案實現的：一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法，包括以下步驟：步驟S1：根據雙光束的兩個不同波長選擇合適的納米天線陣列的材料、形狀，根據光束橫截面某一點對入射光相位調制的大小確定對應該點的單元納米天線尺寸參數以及納米天線的取向；步驟S2：選擇圓形的超材料透鏡，并分成同心的三部分：位于中心的部分為圓盤，半徑為R1；位于圓盤外面的部分為內圓環，內半徑為R1，外半徑為R2；位于最外面的部分為外圓環，內半徑為R2，外半徑為R3；圓盤部分制作納米天線陣列的相位調制由兩部分疊加組成，產生對應于一個波長的光束聚焦于焦點處所需要的球面波相位調制和拓撲荷為1的渦旋光束相位調制；內圓環部分制作對應于另一波長納米天線陣列的相位調制以產生聚焦于焦點處所需要的球面波，所述圓盤部分產生環形光斑；所述內圓環部分產生實心橢球形光斑，并與環形光斑同軸，所述透鏡的外圓環為透明的基底材料；步驟S3：制作圓形濾光片，所述濾光片由同心的圓盤和圓環兩部分組成，所述濾光片的圓盤半徑為R1；而濾光片的圓環分成內圓環部分和外圓環部分，所述濾光片的內圓環的內半徑和外半徑分別為R1和R2，所述濾光片的外圓環的內半徑和外半徑分別為R2和R3，所述濾光片的外圓環為透明的基底材料，所述濾光片與所述圓形超材料透鏡精確對準，實現同軸并相互平行。上述技術方案中，所述濾光片的圓盤為帶通濾光片，短波截止波長為λ1，長波截止波長為λ2，在進行光存儲信息寫入或刻錄時，其抑制光波長為λ3，在進行光盤信息光致熒光讀出時，其抑制熒光波長為λ4，其中，λ1＜λ3＜λ2和λ1＜λ4＜λ2；所述濾光片的內圓環同樣為帶通濾光片，短波截止波長為λ5，長波截止波長為λ6，在進行光存儲時，其寫入激光波長為λ7，在進行雙光束光盤光致熒光讀出時或雙光束超分辨熒光成像時，熒光材料激發波長為λ8。其中，λ5＜λ7＜λ6和λ5＜λ8＜λ6；超材料透鏡圓盤聚焦產生波長為λ3或λ4的環形光斑，相應地由超材料透鏡內圓環聚焦產生波長為λ7或λ8的橢球形實心光斑，實現環形光斑外套在橢球形實心光斑周圍，并實現同軸對準，其中λ3與λ7對應，λ4與λ8對應。上述技術方案中，λ3與λ7以及λ4與λ8在合束前分別由相應波長的線偏振片和四分之一玻片轉換成圓偏振光，并使合束后同軸垂直入射已經對準的濾光片和超透鏡。上述技術方案中，λ3與λ7以及λ4與λ8在合束前分別進行準直，并通過孔徑半徑為R2的小孔進行限束，其中，小孔的中心與所述超材料透鏡以及所述濾光片的中心同軸對準。上述技術方案中，所述環形光斑抑制熒光材料發出熒光，提高熒光圖像分辨率。上述技術方案中，在雙光束超分辨熒光成像中根據熒光材料的激發波長和熒光抑制波長制作特定的窄帶環形雙波長濾光片和窄帶環形雙波長超透鏡，提高成像系統的分辨率和成像質量。本專利技術與現有技術相比，具有如下有益效果：本專利技術將環形分區的超材料透鏡和環形分區的濾光片結合，實現雙光束超分辨聚焦。該方法可以運用于雙光束超分辨率光刻，雙光束超分辨率超高密度光學數據存儲以及雙光束超分辨率熒光成像。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。圖1為本專利技術的環形分區濾光片的示意圖；圖2為本專利技術的環形分區超材料透鏡的示意圖；圖3為本專利技術的納米天線示意圖；圖4為本專利技術的由超透鏡和濾光片組成的集成超分辨聚焦系統示意圖；圖5為本專利技術的環形光斑和同軸實心光斑的俯本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1：根據雙光束的兩個不同波長選擇合適的納米天線陣列的材料、形狀，根據光束橫截面某一點對入射光相位調制的大小確定對應該點的單元納米天線尺寸參數以及納米天線的取向；步驟S2：選擇圓形的超材料透鏡，并分成同心的三部分：位于中心的部分為圓盤，半徑為R

【技術特征摘要】
1.一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1：根據雙光束的兩個不同波長選擇合適的納米天線陣列的材料、形狀，根據光束橫截面某一點對入射光相位調制的大小確定對應該點的單元納米天線尺寸參數以及納米天線的取向；步驟S2：選擇圓形的超材料透鏡，并分成同心的三部分：位于中心的部分為圓盤，半徑為R1；位于圓盤外面的部分為內圓環，內半徑為R1，外半徑為R2；位于最外面的部分為外圓環，內半徑為R2，外半徑為R3；圓盤部分制作納米天線陣列的相位調制由兩部分疊加組成，產生對應于一個波長的光束聚焦于焦點處所需要的球面波相位調制和拓撲荷為1的渦旋光束相位調制；內圓環部分制作對應于另一波長納米天線陣列的相位調制以產生聚焦于焦點處所需要的球面波，所述圓盤部分產生環形光斑；所述內圓環部分產生實心橢球形光斑，并與環形光斑同軸，所述透鏡的外圓環為透明的基底材料；步驟S3：制作圓形濾光片，所述濾光片由同心的圓盤和圓環兩部分組成，所述濾光片的圓盤半徑為R1；而濾光片的圓環分成內圓環部分和外圓環部分，所述濾光片的內圓環的內半徑和外半徑分別為R1和R2，所述濾光片的外圓環的內半徑和外半徑分別為R2和R3，所述濾光片的外圓環為透明的基底材料，所述濾光片與所述圓形超材料透鏡精確對準，實現同軸并相互平行。2.根據權利要求1所述的一種利用超材料透鏡的雙光束超分辨聚焦方法，其特征在于：所述濾光片的圓盤為帶通濾光片，短波截止波長為λ1，長波截止波長為λ2，在進行光存儲信息寫入或刻錄時，其抑制光波長為λ3，在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳建農，朱林偉，李志剛，徐欽峰，
申請(專利權)人：魯東大學，
類型：發明
國別省市：山東,37