CN106932916A - 一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，通过制作环形分区的圆盘型超透镜和滤光片，都包括圆盘、内圆环部分和外圆环部分，外圆环部分都是透明的基底材料，滤光片的环形分区的半径与分区数量和环形分区的超透镜一样，并精确同轴对准，实现双光束超分辨聚焦。本发明将环形分区的超材料透镜和环形分区的滤光片结合，本发明运用于双光束超分辨率光刻，双光束超分辨率超高密度光学数据存储以及双光束超分辨率荧光成像。本发明集成度高，尺寸小，厚度很薄，重量非常轻，像差和色差可以优于现有的高质量物镜或单个自由曲面透镜。

Description

一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法

技术领域

本发明涉及到光学领域，尤其涉及到一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，利用人工微结构超材料对入射光的相位调制特性制作的同轴环形分区超透镜和环形分区滤光片组成的超分辨聚焦方法。

背景技术

激光束通过高数值孔径的物镜聚焦可以获得衍射受限的最小光斑尺寸大约是波长的一半。物镜聚焦激光束产生的光斑用于激发荧光成像，光学数据记录，光刻技术以及激光加工处理等的分辨率也受到了限制。Stefan Hell的双光束超分辨率荧光成像技术，即受激发射耗散显微镜，利用了两束激光同时通过一个高数值孔径物镜聚焦的双光束超分辨率技术获得了远远超越光学衍射极限的荧光图像分辨率。双光束超分辨率技术中，一束激发样品荧光的激光聚焦后获得一个尺寸在衍射极限附近的圆形光斑，即光斑强度分布的半高全宽度大约在波长的一半左右。另一束波长不同的激光则在合束前通过螺旋位相调制，成为一束拓扑荷为1，光子具有角动量的涡旋位相光束。该光束经物镜聚焦后产生一个与圆形光斑同轴的环形光斑。该波长的环形光斑可以使圆形光斑激发荧光的区域远小于光学衍射极限。从而使超越衍射极限的超分辨率荧光成像成为可能。

双光束技术也可以应用到超高密度光学数据存储中，现有的商品化光盘刻录和读出技术并未采用双光束技术，其存储密度以及光盘寿命已经不能满足大数据信息时代对信息存储的要求。因此采用双光束技术提高信息在光盘上的刻录和读出密度已经是势在必行。

虽然，高质量的高数值孔径物镜的像差校正得已比较好，但是物镜是由多个透镜组合而成，而且一般设计过程是对一个比较宽的波段进行设计的，因此像差以及色差不可能完全被校正。另一方面物镜的质量体积也都比较大，很难在机械和电子伺服系统控制下进行高密度多点扫描信息刻录或读出，特别是限制了超高密度光盘数据存储系统读写头或超分辨率光刻系统刻录头的小型化。

现有的光盘读写系统利用自由曲面光学表面设计方法以及高精度自由曲面光学表面加工技术制作的单个小型玻璃微透镜实现激光的聚焦，从而实现光盘信息的写入和读出。激光波前的改变是通过透镜材料折射率和厚度的变化实现的，聚焦光斑尺寸仍然受剩余像差影响，分辨率也不会小于衍射极限。只有减小波长，才能减小光斑尺寸。紫外光刻技术使用了波长较短的紫外光从而提高了光刻分辨率。

现有的单光束通过物镜聚焦的光斑尺寸衍射受限，采用双光束超分辨率聚焦技术，而双光束超分辨率聚焦技术需要一个独立和分离的涡旋位相板对其中一个激光束进行涡旋位相调制，从而产生与另一个波长的激光聚焦产生的实心圆形光斑同轴的环形光斑，以限制实心圆形光斑在光刻记录中刻录尺寸，荧光成像中的荧光激发范围，光盘信息写入和读出中信息点大小。但是这样的双光束超分辨聚焦系统需要对两个波长的像差和色差进行很好校正的高质量物镜。整个聚焦系统不仅需要一个单独和分离的涡旋位相板，而由多片透镜组成的复合物镜体积较大，难以在超高密度超分辨率光盘信息的写入和读出中，由机械和电子伺服系统控制下进行光盘信息点的高速扫描。单个的自由曲面透镜虽然体积可以做得比较小，但很难实现像差和色差的精确校正，也无法实现与涡旋位相板集成在一起。

发明内容

为了克服上述双光束超分辨率聚焦系统由体积和尺寸较大的物镜和独立分离的涡旋位相板组成的缺陷，对双波长激光聚焦无法精确校正像差和色差的困难以及无法小型化以适应和满足高速精确扫描的需求，本发明提出了利用人工微结构纳米天线对入射光的精确相位调制特性，制作环形分区的纳米天线阵列构成的体积和尺寸非常小的超透镜配合相应的环形分区的圆形滤光片实现双光束超分辨聚焦。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据双光束的两个不同波长选择合适的纳米天线阵列的材料、形状，根据光束横截面某一点对入射光相位调制的大小确定对应该点的单元纳米天线尺寸参数以及纳米天线的取向；

步骤S2：选择圆形的超材料透镜，并分成同心的三部分：位于中心的部分为圆盘，半径为R₁；位于圆盘外面的部分为内圆环，内半径为R₁，外半径为R₂；位于最外面的部分为外圆环，内半径为R₂，外半径为R₃；圆盘部分制作纳米天线阵列的相位调制由两部分叠加组成，产生对应于一个波长的光束聚焦于焦点处所需要的球面波相位调制和拓扑荷为1的涡旋光束相位调制；内圆环部分制作对应于另一波长纳米天线阵列的相位调制以产生聚焦于焦点处所需要的球面波，所述圆盘部分产生环形光斑；所述内圆环部分产生实心椭球形光斑，并与环形光斑同轴，所述透镜的外圆环为透明的基底材料；

步骤S3：制作圆形滤光片，所述滤光片由同心的圆盘和圆环两部分组成，所述滤光片的圆盘半径为R₁；而滤光片的圆环分成内圆环部分和外圆环部分，所述滤光片的内圆环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，所述滤光片的外圆环的内半径和外半径分别为R₂和R₃，所述滤光片的外圆环为透明的基底材料，所述滤光片与所述圆形超材料透镜精确对准，实现同轴并相互平行。

上述技术方案中，所述滤光片的圆盘为带通滤光片，短波截止波长为λ₁，长波截止波长为λ₂，在进行光存储信息写入或刻录时，其抑制光波长为λ₃，在进行光盘信息光致荧光读出时，其抑制荧光波长为λ₄，其中，λ₁＜λ₃＜λ₂和λ₁＜λ₄＜λ₂；

所述滤光片的内圆环同样为带通滤光片，短波截止波长为λ₅，长波截止波长为λ₆，在进行光存储时，其写入激光波长为λ₇，在进行双光束光盘光致荧光读出时或双光束超分辨荧光成像时，荧光材料激发波长为λ₈。其中，λ₅＜λ₇＜λ₆和λ₅＜λ₈＜λ₆；

超材料透镜圆盘聚焦产生波长为λ₃或λ₄的环形光斑，相应地由超材料透镜内圆环聚焦产生波长为λ₇或λ₈的椭球形实心光斑，实现环形光斑外套在椭球形实心光斑周围，并实现同轴对准，其中λ₃与λ₇对应，λ₄与λ₈对应。

上述技术方案中，λ₃与λ₇以及λ₄与λ₈在合束前分别由相应波长的线偏振片和四分之一玻片转换成圆偏振光，并使合束后同轴垂直入射已经对准的滤光片和超透镜。

上述技术方案中，λ₃与λ₇以及λ₄与λ₈在合束前分别进行准直，并通过孔径半径为R₂的小孔进行限束，其中，小孔的中心与所述超材料透镜以及所述滤光片的中心同轴对准。

上述技术方案中，所述环形光斑抑制荧光材料发出荧光，提高荧光图像分辨率。

上述技术方案中，在双光束超分辨荧光成像中根据荧光材料的激发波长和荧光抑制波长制作特定的窄带环形双波长滤光片和窄带环形双波长超透镜，提高成像系统的分辨率和成像质量。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明将环形分区的超材料透镜和环形分区的滤光片结合，实现双光束超分辨聚焦。该方法可以运用于双光束超分辨率光刻，双光束超分辨率超高密度光学数据存储以及双光束超分辨率荧光成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的环形分区滤光片的示意图；

图2为本发明的环形分区超材料透镜的示意图；

图3为本发明的纳米天线示意图；

图4为本发明的由超透镜和滤光片组成的集成超分辨聚焦系统示意图；

图5为本发明的环形光斑和同轴实心光斑的俯视图；

其中，附图标记100-滤光片，101-滤光片的内圆环，102-滤光片的外圆环，103-滤光片的圆盘，200-超材料透镜，201-超材料透镜的内圆环，202-超材料透镜的外圆环，203-超材料透镜的圆盘，300-纳米天线，400-集成超分辨聚焦系统，401-系统外圆环部分，402-系统内圆环部分，403-系统圆盘部分；500--焦点位置，501-环形光斑部分，502-实心光斑部分。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据双光束的两个不同波长选择合适的纳米天线阵列的材料、形状，根据光束横截面某一点对入射光相位调制的大小确定对应该点的单元纳米天线尺寸参数以及纳米天线的取向；

步骤S2：选择圆形的超材料透镜，并分成同心的三部分：位于中心的部分为圆盘，半径为R₁；位于圆盘外面的部分为内圆环，内半径为R₁，外半径为R₂；位于最外面的部分为外圆环，内半径为R₂，外半径为R₃；圆盘部分制作纳米天线阵列的相位调制由两部分叠加组成，产生对应于一个波长的光束聚焦于焦点处所需要的球面波相位调制和拓扑荷为1的涡旋光束相位调制；内圆环部分制作对应于另一波长纳米天线阵列的相位调制以产生聚焦于焦点处所需要的球面波，所述圆盘部分产生环形光斑；所述内圆环部分产生实心椭球形光斑，并与环形光斑同轴，所述透镜的外圆环为透明的基底材料；

步骤S3：制作圆形滤光片，所述滤光片由同心的圆盘和圆环两部分组成，所述滤光片的圆盘半径为R₁；而滤光片的圆环分成内圆环部分和外圆环部分，所述滤光片的内圆环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，所述滤光片的外圆环的内半径和外半径分别为R₂和R₃，所述滤光片的外圆环为透明的基底材料，所述滤光片与所述圆形超材料透镜精确对准，实现同轴并相互平行。

滤光片的圆盘为带通滤光片，短波截止波长为λ₁，长波截止波长为λ₂，在进行光存储信息写入或刻录时，其抑制光波长为λ₃，在进行光盘信息光致荧光读出时，其抑制荧光波长为λ₄，其中，λ₁＜λ₃＜λ₂和λ₁＜λ₄＜λ₂；

滤光片的内圆环同样为带通滤光片，短波截止波长为λ₅，长波截止波长为λ₆，在进行光存储时，其写入激光波长为λ₇，在进行双光束光盘光致荧光读出时或双光束超分辨荧光成像时，荧光材料激发波长为λ₈。其中，λ₅＜λ₇＜λ₆和λ₅＜λ₈＜λ₆；

超材料透镜圆盘聚焦产生波长为λx或λ₄的环形光斑，相应地由超材料透镜内圆环聚焦产生波长为λ₇或λ₈的椭球形实心光斑，实现环形光斑外套在椭球形实心光斑周围，并实现同轴对准，其中λ₃与λ₇对应，λ₄与λ₈对应。

λ₃与λ₇以及λ₄与λ₈在合束前分别由相应波长的线偏振片和四分之一玻片转换成圆偏振光，并使合束后同轴垂直入射已经对准的滤光片和超透镜。

λ₃与λ₇以及λ₄与λ₈在合束前分别进行准直，并通过孔径半径为R₂的小孔进行限束，其中，小孔的中心与所述超材料透镜以及所述滤光片的中心同轴对准。

环形光斑在不同应用中发挥不同的作用，但本质上都是为了实现超分辨率。在光学数据存储中用于抑制记录材料的光致聚合反应或其他物理化学变化，使得信息点的尺寸小于衍射极限，提高信息刻录密度。在超高分辨率荧光成像中用于抑制荧光材料发出荧光，从而使荧光图像分辨率得以提高。

在双光束超分辨荧光成像中根据荧光材料的激发波长和荧光抑制波长制作特定的窄带环形双波长滤光片和窄带环形双波长超透镜，提高成像系统的分辨率和成像质量。

与现有双光束通过物镜的超分辨聚焦系统比较，聚焦物镜由平面超材料透镜替代，其尺寸，重量大大缩小，有利于光斑读写头小型化以及扫描伺服的结构精度。而且涡旋位相板直接与超透镜合二为一。

对于单一激光波长，超材料透镜可以针对特定波长进行设计加工，位相调制方法可以精确地控制球面波波前。从而确保几乎没有球差和色差。在进行光盘信息写入和读出时，如果使用同一光盘读写头，则要求λ₃和λ₄相差不能太大。同样要求λ₇和λ₈相差不能太大。相差太大时，则会导致较大的球差和色差，从而使分辨率下降。这些波长的数值主要决定于光致聚合反应或物理化学变化的材料选择以及荧光材料的选择。如果相差太大，必要时光盘信息写入和读出分别使用不同的超材料透镜和相应的滤光片。

在进行光存储信息写入或刻录时，其抑制光波长为λ₃，在进行光盘信息光致荧光读出时，其抑制荧光波长为λ₄。如果上述四个波长不满足：λ₁＜λ₃＜λ₂和λ₁＜λ₄＜λ₂。而是满足λ₁＜λ₃＜λ₂，λ₁＜λ₂＜λ₄，则需要将光盘的读写头分开制作。

本发明的聚焦方法也可以用于双光束超分辨光刻系统中。

具体的，图1为本发明的环形分区的滤光片100的示意图；如图1所示，半径为R₁的滤光片的圆盘103带宽范围Δλ＝λ₂-λ₁，内半径为R₁，外半径为R₂滤光片的内圆环102带宽范围Δλ＝λ₆-λ₅，内半径为R₂，外半径为R₃的滤光片的外圆环101为透明基底材料。

图2为本发明的环形分区的超材料透镜200的示意图；半径为R₁的超材料透镜的圆盘203对入射圆偏振光既有涡旋位相调制功能，又有球面波调制功能，通过该部分的激光是抑制波长，在焦平面附近产生环形光斑。内半径为R₁，外半径为R₂的超材料透镜的内圆环202对入射光聚焦在焦平面附近产生椭球形实心光斑。内半径为R₂，外半径为R₃的超材料透镜的外圆环203为透明基底材料。

图3为本发明的纳米天线300示意图，纳米天线TiO₂长方体的结构参数，转动角度，单元间隔以及基底材料SiO₂。

图4为本发明的由超透镜和滤光片组成的集成超分辨聚焦系统400示意图；超材料透镜圆盘聚焦产生环形光斑，相应地由超材料透镜内圆环聚焦产生椭球形实心光斑，该系统圆盘部分403用于产生椭圆形实心光斑；该系统内圆环部分402用于产生环形抑制光斑；该系统外圆环部分401可以收集焦点位置500激发出来的荧光进行超高密度光盘信息读出或进行荧光超分辨成像。

其中位于中心的圆盘型超透镜既有涡旋位相调制功能，又有球面波位相调制功能。超透镜圆环部分分成内圆环部分和外圆环部分。内圆环部分仅对另一波长起球面聚焦功能。外圆环部分只是透明的基底材料。便于对荧光发射波长进行收集和探测。而同样环形分区的滤光片，环形分区的半径与分区数量和环形分区的超透镜一样，并精确同轴对准。滤光片的外圆环部分同样为透明的基底材料，便于对荧光发射波长的收集和探测。整个双光束超分辨聚焦系统需要对入射激光单独进行扩束，准直和限束，使得光束半径与超透镜的内园环外半径和滤光片的内圆环外半径相等。并将每一束入射聚焦激光转换成圆偏振激光束。

图5为本发明的环形光斑和同轴实心光斑的俯视图；在焦点位置500的环形光斑部分501和实心光斑部分502。

实施例一

本发明的一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法具体实施步骤如下：

(1)首先制作图1所示的环形分区滤光片。其中R₁＝1mm，R₂＝1.5mm，R₃＝2mm。其中圆盘形滤光片103的带宽范围100nm，波段包含375nm。内园环形滤光片102波段带宽为150nm以上，波段包含633nm。

(2)确定超透镜的焦距f＝1.5mm和透镜半径，如附图2所示(200)，包括R₁＝1mm，R₂＝1.5mm，R₃＝2mm。然后由公式确定产生波长λ₃＝375nm球面波的相位调制值，φ₂＝atan2(y，x)确定每一点的方位角，即涡旋相位值。然后根据计算附图2圆盘型超透镜203每一个竖直长方体纳米天线的旋转角度。然后根据计算附图2内圆环超透镜202聚焦对应的激光波长为λ₇＝633nm的球面波相位调制值。对应内圆环超透镜202每一个TiO₂竖直长方体纳米天线的旋转角度则为外圆环部分201为透明基底材料。

(3)利用Matlab编程绘制如附图2所示的超透镜电子束光刻工艺BMP格式图。图3表示超透镜的单元TiO₂长方体结构。其中高度600nm，宽度88nm，长度412nm，基底为SiO₂材料，正方形单元长和宽均为330nm。单个TiO₂竖直长方体转动的方位角为θ。通过该天线，导致入射光的相位突变为2θ。

(4)利用电子束光刻工艺在光刻胶ZEP520上制作该超透镜。其中光刻胶厚度与TiO₂长方体高度600nm一致。然后利用原子层沉积技术在处理过的光刻胶上沉积一层厚度60nm左右非晶TiO₂膜。光刻胶顶部的非晶TiO₂膜用反应离子刻蚀法去除。最后剥离剩余电子束光刻胶。

(5)将制作好的滤光片和超透镜利用机械调节机构安装在一起并进行同轴调节，对准和固定。两束入射激光束波长分别为375nm和633nm，分别单独转换成圆偏振光，并且利用光阑将光束直径限制在2R₂以内，然后合束入射集成超分辨聚焦系统。

本发明的聚焦方法将拓扑荷为1的涡旋位相板的涡旋位相调制直接与物镜的球面波位相相调制结合在一起由亚波长间距纳米天线阵列超材料透镜统一完成。该双光束超分辨聚焦系统集成度高，尺寸小，厚度很薄，重量非常轻，像差和色差可以优于现有的高质量物镜或单个自由曲面透镜。在特定波长的双光束超分辨光刻系统或双光束超分辨荧光成像系统中像差和色差几乎可以忽略。而在双光束超分辨光盘读写系统中，如果在读和写时使用不同的双光束超分辨聚焦系统，则同样可以使像差和色差几乎可以忽略。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据双光束的两个不同波长选择合适的纳米天线阵列的材料、形状，根据光束横截面某一点对入射光相位调制的大小确定对应该点的单元纳米天线尺寸参数以及纳米天线的取向；

步骤S2：选择圆形的超材料透镜，并分成同心的三部分：位于中心的部分为圆盘，半径为R₁；位于圆盘外面的部分为内圆环，内半径为R₁，外半径为R₂；位于最外面的部分为外圆环，内半径为R₂，外半径为R₃；圆盘部分制作纳米天线阵列的相位调制由两部分叠加组成，产生对应于一个波长的光束聚焦于焦点处所需要的球面波相位调制和拓扑荷为1的涡旋光束相位调制；内圆环部分制作对应于另一波长纳米天线阵列的相位调制以产生聚焦于焦点处所需要的球面波，所述圆盘部分产生环形光斑；所述内圆环部分产生实心椭球形光斑，并与环形光斑同轴，所述透镜的外圆环为透明的基底材料；

步骤S3：制作圆形滤光片，所述滤光片由同心的圆盘和圆环两部分组成，所述滤光片的圆盘半径为R₁；而滤光片的圆环分成内圆环部分和外圆环部分，所述滤光片的内圆环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，所述滤光片的外圆环的内半径和外半径分别为R₂和R₃，所述滤光片的外圆环为透明的基底材料，所述滤光片与所述圆形超材料透镜精确对准，实现同轴并相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，其特征在于：所述滤光片的圆盘为带通滤光片，短波截止波长为λ₁，长波截止波长为λ₂，在进行光存储信息写入或刻录时，其抑制光波长为λ₃，在进行光盘信息光致荧光读出时，其抑制荧光波长为λ₄，其中，λ₁＜λ₃＜λ₂和λ₁＜λ₄＜λ₂；

所述滤光片的内圆环同样为带通滤光片，短波截止波长为λ₅，长波截止波长为λ₆，在进行光存储时，其写入激光波长为λ₇，在进行双光束光盘光致荧光读出时或双光束超分辨荧光成像时，荧光材料激发波长为λ₈。其中，λ₅＜λ₇＜λ₆和λ₅＜λ₈＜λ₆；

超材料透镜圆盘聚焦产生波长为λ₃或λ₄的环形光斑，相应地由超材料透镜内圆环聚焦产生波长为λ₇或λ₈的椭球形实心光斑，实现环形光斑外套在椭球形实心光斑周围，并实现同轴对准，其中λ₃与λ₇对应，λ₄与λ₈对应。

3.根据权利要求2所述的利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，其特征在于：λ₃与λ₇以及λ₄与λ₈在合束前分别由相应波长的线偏振片和四分之一玻片转换成圆偏振光，并使合束后同轴垂直入射已经对准的滤光片和超透镜。

4.根据权利要求2所述的利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，其特征在于：λ₃与λ₇以及λ₄与λ₈在合束前分别进行准直，并通过孔径半径为R₂的小孔进行限束，其中，小孔的中心与所述超材料透镜以及所述滤光片的中心同轴对准。

5.根据权利要求2所述的利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，其特征在于，所述环形光斑抑制荧光材料发出荧光，提高荧光图像分辨率。

6.根据权利要求1所述的利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法，其特征在于，在双光束超分辨荧光成像中根据荧光材料的激发波长和荧光抑制波长制作特定的窄带环形双波长滤光片和窄带环形双波长超透镜，提高成像系统的分辨率和成像质量。