CN103091859A - 产生超分辨光斑和超长焦深的装置 - Google Patents

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查一昆
魏劲松
干福熹
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Abstract

一种产生超分辨光斑和超长焦深的装置，特征在于其构成：沿光束前进方向依次是液晶偏振模式转化器，中心环被遮挡的五环纯相位型超分辨相位板，数值孔径NA=0.95的物镜，所述的中心环被遮挡的五环纯相位型超分辨相位板的归一化半径为r1=0.8875，r2=0.8965，r3=0.9191，r4=0.9481,r5=1；r2、r3、r4、r5环带相应的位相分别为：φ1=π，φ2=0，φ3=π，φ4=0；所述的物镜与所述的中心环被遮挡的五环纯相位型超分辨相位板紧贴。本发明装置具有制作相对简单，可实施性强和廉价的优点，能使一束线偏振光通过后在所述的物镜的焦面形成具有超分辨光斑和超长焦深的光强分布。

Description

产生超分辨光斑和超长焦深的装置
技术领域
本发明涉及光刻领域，光学成像领域，信息存储领域和粒子加速领域，特别是一种产生超分辨光斑和超长焦深的装置。
背景技术
随着微纳技术的飞速发展，光存储技术，光刻技术，光学成像技术，光学制造技术都面临着突破衍射极限的问题。通过缩短激光波长到GaN激光器的405nm和增大光学镜头的数值孔径到0.95，由衍射光斑大小公式：D＝0.61λ/N..A.可知，衍射光斑也只能达到0.5μm左右，在采用可见光波长和远场光学系统下，依靠传统的缩短激光波长和增大光学镜头的数值孔径的方法已经走向极限。如何打破光的衍射极限使光斑达到纳米量级是当前面临的瓶颈问题。如今，在一定条件下，径向偏振光比线偏振光或圆偏振光都能获得相对更小的聚焦光斑，越来越被广泛的应用在上述领域中。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种获得具有超长焦深的超分辨光斑的装置，该装置具有制作相对简单，可实施性强和廉价的优点，能使一束线偏振光通过后在所述的物镜的焦面形成具有超分辨光斑和超长焦深的光强分布。
本发明的技术解决方案是：
一种产生超分辨光斑和超长焦深的装置，特点在于其构成：沿光束前进方向依次是将入射的线偏振光转化为径向偏振光的液晶偏振模式转化器，中心第一环被遮挡的五环纯相位型超分辨相位板和数值孔径为NA=0.95的物镜，所述的五环纯相位型超分辨相位板自内向外的第一环、第二环、第三环、第四环和第五环的归一化半径依次为：r1=0.8875，r2=0.8965，r3=0.9191，r4=0.9481,r5=1；其中第二环、第三环、第四环和第五环相应的位相分别为：φ1=π，φ2=0，φ3=π，φ4=0；所述的物镜与所述的五环纯相位型超分辨相位板紧贴。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1、本发明能将x、y方向的中心光斑的半高全宽(FWHM)由0.427λ进一步缩小为0.4λ；
2、本发明能将z轴方向的焦深延长为原来的5.58倍，即由2.296延长到12.829。
3、本发明装置具有制作相对简单，可实施性强和廉价的优点，能使一束线偏振光通过后在所述的物镜的焦面形成具有超分辨光斑和超长焦深的光强分布。
附图说明
图1是本发明产生超分辨光斑和超长焦深的装置的结构示意图
图2是本发明产生超分辨光斑和超长焦深的装置所得到的横向y轴方向径向电场强度、轴向强度和总强度曲线。
图3是图1实施例和仅有和本发明相同中心遮挡面积下轴向光强分布的对比图。
图4是超分辨相位板的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明产生超分辨光斑和超长焦深的装置的具体实施例的结构示意图。由图1可见，本发明产生超分辨光斑和超长焦深的装置的构成是：沿光束前进方向依次是将入射的线偏振光转化为径向偏振光的液晶偏振模式转化器1，中心第一环被遮挡的五环纯相位型超分辨相位板2和数值孔径为NA=0.95的物镜3，所述的五环纯相位型超分辨相位板2自内向外的第一环、第二环、第三环、第四环和第五环的归一化半径依次为：r1=0.8875，r2=0.8965，r3=0.9191，r4=0.9481,r5=1；其中第二环、第三环、第四环和第五环相应的位相分别为：φ1=π，φ2=0，φ3=π，φ4=0；所述的物镜3与所述的五环纯相位型超分辨相位板2紧贴。
所述的五环纯相位型超分辨相位板2的结构如图4所示，它包括下列结构：中心黑色部分为遮挡区域，自内向外的第一环、第二环、第三环、第四环和第五环的归一化半径依次为：r1=0.8875，r2=0.8965，r3=0.9191，r4=0.9481,r5=1；其中第二环、第三环、第四环和第五环相应的位相分别为：φ1=π，φ2=0，φ3=π，φ4=0。
本发明采用矢量衍射理论计算了经TN-LCD偏振模式转换器后，产生的光瞳半径和束腰半径比为0.57的径向偏振贝塞尔分布光束，经过所述的中心第一环被遮挡的的五环纯相位型超分辨相位板2在物镜焦面上的光场分布。
经测试表明：通过限制条件:y轴方向超分辨评价参数G定义为主瓣的半高全宽FWHM(Full-Width at Half-Maximum)，G<0.41且轴向均匀度δ<0.05，通过矢量衍射理论计算搜索得到五环结构较优的归一化半径分别为：r1=0.8875，r2=0.8965，r3=0.9191，r4=0.9481,r5=1。此时的y轴方向超分辨评价参数G=0.4，即由原来仅有中心遮挡方法时的中心光斑的FWHM由0.427λ缩小到0.4λ，以轴向降低为最大光强处80%的距离定义焦深DOF，发现比仅有和本发明相同中心遮挡面积下的方法提高了5.58倍，即焦深由原来未加超分辨相位板时的2.296λ延长到12.829λ。
图2是经过矢量衍射理论计算得到的横向场中沿y轴方向的径向电场强度和轴向强度及总强度曲线。其中，虚线代表焦面上y轴方向径向分量电场分布，点线代表焦面上y轴方向轴向分量电场分布，实线代表总电场分布。
图3是经过矢量衍射理论计算得到的轴向场光强分布。其中，点划线代表没有超分辨相位板时，在仅有和本发明相同中心遮挡面积下，物镜焦面附近轴向方向的光场分布，实线代表经过超分辨相位板调制后在物镜焦面附近轴向的光场分布。
实验表明，本发明装置具有制作相对简单，可实施性强和廉价的优点，能使一束线偏振光通过后在所述的物镜的焦面形成具有超分辨光斑和超长焦深的光强分布。

Claims (1)

1.一种产生超分辨光斑和超长焦深的装置，特征在于其构成：沿光束前进方向依次是将入射的线偏振光转化为径向偏振光的液晶偏振模式转化器(1)，中心第一环被遮挡的五环纯相位型超分辨相位板(2)和数值孔径为NA=0.95的物镜，所述的五环纯相位型超分辨相位板（2）自内向外的第一环、第二环、第三环、第四环和第五环的归一化半径依次为：r1=0.8875，r2=0.8965，r3=0.9191，r4=0.9481,r5=1；其中第二环、第三环、第四环和第五环相应的位相分别为：φ1=π，φ2=0，φ3=π，φ4=0；所述的物镜(3)与所述的五环纯相位型超分辨相位板(2)紧贴。
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