CN104237982B - 一种纳米尺度固体混合浸没透镜 - Google Patents

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本发明公开了一种纳米尺度固体混合浸没透镜。本发明纳米尺度固体混合浸没透镜是在普通的纳米尺度固体浸没透镜中心插入了纳米圆柱，这种固体混合浸没透镜可以在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，从而有效降低近场聚焦光斑的半高宽。本发明所提出的纳米尺度固体混合浸没透镜可以将近场光斑的分辨率提高到接近八分之一波长，从而突破阿贝衍射极限，大幅提升近场光学显微镜的分辨能力。

Description

一种纳米尺度固体混合浸没透镜
技术领域
本发明属于近场光学显微镜技术领域，具体涉及一种纳米尺度固体混合浸没透镜。
背景技术
突破阿贝衍射极限获得超分辨率(<0.5λ，λ为入射波长)的光斑尺寸是目前近场光学显微镜技术和现代微纳光学领域炙手可热的研究课题。近些年来，国内外学者报道了多种可以达到超分辨率的技术手段，包括利用纳米探针或环形光阑开发近场扫描光学显微镜，利用超材料的负折射效应设计超级透镜，利用平面衍射光栅的超级振荡获得超分辨的衍射光斑，利用微球或纳米固体浸没透镜实现近场超分辨显微成像。
在这其中，利用纳米固体浸没透镜可以获得接近四分之一波长的光学分辨率，在近场超分辨显微成像、纳米加工和近场拉曼光谱具有十分诱人的应用前景。与此同时，目前所报道的纳米固体浸没透镜都采用了单一的半球结构，例如文献一(J.Y.Lee,B.H.Hong,W.Y.Kim,S.K.Min,Y.Kim,M.V.Jouravlev,R.Bose,K.S.Kim,I.C.Hwang,L.J.Kaufman,C.W.Wong,andP.Kim,Near-fieldfocusingandmagnificationthroughself-assemblednanoscalesphericallenses,Nature,2009,460(7254),498-501.)和文献二(J.W.Jang,Z.J.Zheng,O.S.Lee,W.Shim,G.F.Zheng,G.C.Schatz,andC.A.Mirkin,Arraysofnanoscalelensesforsubwavelengthopticallithography,NanoLetters,2010,10(11),4399-4404.)所公开的纳米固体浸没透镜分别采用了杯对苯二酚(CHQ)和聚乙二醇(PEG)聚合物半球结构，其光学分辨率分别达到接近0.27λ和0.25λ。
由上可知，现有的单一的半球结构透镜，光学分辨率依然较低，还不能满足尺度在四分之一波长以下目标的近场成像或纳米加工应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米尺度固体混合浸没透镜。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种纳米尺度固体混合浸没透镜，包括纳米半球和纳米圆柱，所述纳米圆柱位于纳米半球的中心，纳米圆柱的上表面和下表面均与纳米半球的外表面融为一体，纳米半球的直径D取值范围为[1000nm，1400nm]，纳米圆柱的直径W的取值范围为[90nm，110nm]。
所述纳米半球所用材料的折射率低于纳米圆柱所用材料的折射率。
所述纳米半球的材料为二氧化硅、杯对苯二酚聚合物或聚乙二醇聚合物，纳米圆柱的材料为硅、砷化铝或氧化锌。
按照光的入射方向将其分为型号I和型号II两个型号，型号I是由面朝下的纳米半球和纳米圆柱组成，纳米圆柱位于纳米半球的中心，光线从纳米半球的弧面射入；型号II是由面朝上的纳米半球和纳米圆柱组成，纳米圆柱位于纳米半球的中心，光线从纳米半球的平面射入。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明通过在普通的纳米尺度固体浸没透镜中心插入纳米圆柱，可以在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，从而有效降低近场聚焦光斑的半高宽。本发明所提出的纳米尺度固体混合浸没透镜可以将近场光斑的分辨率提高到接近八分之一波长，大幅提升了近场光学显微镜的分辨能力。
附图说明
图1是本发明纳米尺度固体混合浸没透镜的工作示意图。
图2是本发明纳米尺度固体混合浸没透镜的聚焦效果示意图，其中图(a)、(b)、(c)(d)分别为本发明实施例1-4固体混合浸没透镜的聚焦效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种纳米尺度固体混合浸没透镜，包括纳米半球2和纳米圆柱3，所述纳米圆柱3位于纳米半球2的中心，纳米圆柱3的上表面和下表面均与纳米半球2的外表面融为一体，纳米半球2的直径D取值范围为[1000nm，1400nm]，纳米圆柱3的直径W的取值范围为[90nm，110nm]。
按照光的入射方向将其分为型号I和型号II两个型号，型号I是由面朝下的纳米半球2和纳米圆柱3组成，纳米圆柱3位于纳米半球2的中心，光线从纳米半球2的弧面射入；型号II是由面朝上的纳米半球2和纳米圆柱3组成，纳米圆柱3位于纳米半球2的中心，光线从纳米半球2的平面射入。
所述纳米半球2所用材料的折射率低于纳米圆柱3所用材料的折射率。
所述纳米半球2的材料为二氧化硅、杯对苯二酚聚合物或聚乙二醇聚合物，纳米圆柱3的材料为硅、砷化铝或氧化锌。
本发明的纳米尺度固体混合浸没透镜，可以按照光的入射方向将其分为型号I和型号II两个型号，型号I是由面朝下的纳米半球2和纳米圆柱3组成，光线从纳米半球2的弧面射入；型号II是由面朝上的纳米半球2和纳米圆柱3组成，光线从纳米半球2的底部平面射入。纳米半球2的直径为D，纳米圆柱3的直径为W。
以型号I为例，入射波长为λ的平行光束从透镜1(数值孔径为NA，工作距离为f0)经过聚焦入射到纳米尺度固体混合浸没透镜上。纳米尺度固体混合浸没透镜的半球中心位置位于f0处，通过纳米尺度固体混合浸没透镜二次聚焦的光在出射面4上形成光斑。
下面结合实施例做进一步详细的描述：
实施例1
设定入射波长λ为532nm，透镜1数值孔径NA为0.9，采用型号I纳米尺度固体混合浸没透镜。纳米半球2的直径D为1250nm，材料为杯对苯二酚(CHQ)聚合物；纳米圆柱3的直径W为96nm，材料为砷化铝。
所述纳米尺度固体混合浸没透镜的聚焦效果示意图如图2(a)所示。从图2(a)中可以看出，本发明中型号I纳米尺度固体混合浸没透镜在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，可以在出射面4上获得69.8nm的分辨率，相对于入射光波长532nm，本发明中纳米尺度固体混合浸没透镜获得了接近八分之一波长的超高分辨率。
实施例2
设定入射波长λ为532nm，透镜1数值孔径NA为0.9，采用型号II纳米尺度固体混合浸没透镜。纳米半球2的直径D为1250nm，材料为二氧化硅；纳米圆柱3的直径W为96nm，材料为砷化铝。
所述纳米尺度固体混合浸没透镜的聚焦效果示意图如图2(b)所示。从图2(b)中可以看出，本发明中型号II纳米尺度固体混合浸没透镜在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，可以在出射面4上获得78.7nm的分辨率，相对于入射光波长532nm，本发明中纳米尺度固体混合浸没透镜获得了接近八分之一波长的超高分辨率。
实施例3
设定入射波长λ为532nm，透镜1数值孔径NA为0.9，采用型号I纳米尺度固体混合浸没透镜。纳米半球2的直径D为1200nm，材料为聚乙二醇(PEG)聚合物；纳米圆柱3的直径W为102nm，材料为氧化锌。
所述纳米尺度固体混合浸没透镜的聚焦效果示意图如图2(c)所示。从图2(c)中可以看出，本发明中型号I纳米尺度固体混合浸没透镜在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，可以在出射面4上获得68.4nm的分辨率，相对于入射光波长532nm，本发明中纳米尺度固体混合浸没透镜获得了接近八分之一波长的超高分辨率。
实施例4
设定入射波长λ为532nm，透镜1数值孔径NA为0.9，采用型号II纳米尺度固体混合浸没透镜。纳米半球2的直径D为1200nm，材料为聚乙二醇(PEG)聚合物；纳米圆柱3的直径W为102nm，材料为硅。
所述纳米尺度固体混合浸没透镜的聚焦效果示意图如图2(d)所示。从图2(d)中可以看出，本发明中型号II纳米尺度固体混合浸没透镜在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，可以在出射面4上获得73.2nm的分辨率，相对于入射光波长532nm，本发明中纳米尺度固体混合浸没透镜获得了接近八分之一波长的超高分辨率。
由上可知，本发明中型号I和型号II纳米尺度固体混合浸没透镜在纳米圆柱的出射端附近产生强烈的模式压缩现象，可以在出射面4上获得69.8nm、78.7nm、68.4nm和73.2nm的分辨率，而未放入砷化铝纳米圆柱的普通纳米尺度固体浸没透镜在出射面4上只获得了157.8nm和178.4nm的分辨率。因此相对于入射光波长532nm，本发明中纳米尺度固体混合浸没透镜获得了接近八分之一波长的超高分辨率，是普通纳米尺度固体浸没透镜分辨率的两倍。

Claims (4)

1.一种纳米尺度固体混合浸没透镜，包括纳米半球[2]和纳米圆柱[3]，纳米半球[2]的直径D取值范围为[1000nm，1400nm]，其特征在于，所述纳米圆柱[3]位于纳米半球[2]的中心，纳米圆柱[3]的上表面和下表面均与纳米半球[2]的外表面融为一体，纳米圆柱[3]的直径W的取值范围为[90nm，110nm]。
2.根据权利要求1所述的纳米尺度固体混合浸没透镜，其特征在于，按照光的入射方向将其分为型号I和型号II两个型号，型号I是由面朝下的纳米半球[2]和纳米圆柱[3]组成，纳米圆柱[3]位于纳米半球[2]的中心，光线从纳米半球[2]的弧面射入；型号II是由面朝上的纳米半球[2]和纳米圆柱[3]组成，纳米圆柱[3]位于纳米半球[2]的中心，光线从纳米半球[2]的平面射入。
3.根据权利要求1所述的纳米尺度固体混合浸没透镜，其特征在于，纳米半球[2]所用材料的折射率低于纳米圆柱[3]所用材料的折射率。
4.根据权利要求1所述的纳米尺度固体混合浸没透镜，其特征在于，纳米半球[2]的材料为二氧化硅、杯对苯二酚聚合物或聚乙二醇聚合物，纳米圆柱[3]的材料为硅、砷化铝或氧化锌。
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