CN110161715B - 一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，包括：光源，用于产生单色激光；透镜，用于对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；锐边衍射组件，用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，产生超振荡聚焦光场；物镜组，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光场；相机，用于采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。本发明提出一种简易可行的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。结合锐边金属圆盘或圆环即可实现百纳米量级超振荡光针的产生，该系统结构简易，操作灵活，稳定且造价低廉，具有显著实用价值。

Description

一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法

技术领域

本发明涉及超振荡光针的产生技术领域，具体涉及一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。

背景技术

超振荡这一概念出现在量子力学的弱测量概念中：在空间局部测量获得的光波波数值，可能并不存在于空间整体测量结果的范围内。2006年，英国布里斯托大学Berry及其合作者首次将量子超振荡的概念与光学超分辨联系起来，从理论上指出，利用特殊设计的光学微纳结构(如亚波长光栅结构)对入射平面光场进行振幅调制，调制后的衍射光场在远场区域可以实现亚波长光学超衍射极限聚焦，并把该现象命名为光学超振荡。

Berry的研究成果在国际上引起了强烈的反响，国内外许多研究组在这个问题上展开了深入的研究。例如，2012年，英国南安普顿大学Zheludev研究团队利用矢量衍射理论并结合优化算法，在金属薄膜上加工出精细的二元振幅型金属圆环阵列结构，称之为超振荡透镜，在距离超振荡透镜10.3μm处实现聚焦光斑，其半高宽为0.29λ。2013年，新加坡国立大学Qiu团队基于矢量索末菲-瑞利衍射理论并结合粒子群优化算法，从理论上设计了一种二元振幅型同心金属圆环阵列结构，对波长为633nm的径向偏振光实现了极强的纵向偏振聚焦光场，焦斑半高宽为0.39λ。2014年，重庆大学陈等人基于准连续振幅调控和二值相位调控的理论设计，构建出宽视场的超振荡透镜，理论上获得的超振荡光斑尺寸为0.31λ。

然而，以上所使用的超振荡元器件，其结构非常复杂，一般需要在微米尺寸大小的金属薄膜上刻蚀成千上万且尺寸为纳米级别的结构单元，设计过程中，往往需要依赖于优化算法，得出最佳的超振荡结构参数，且所设计的结构缺乏对超振荡聚焦光斑的物理解释。此外，从已有的研究结果可以看出，目前实现的超衍射聚焦光斑尺寸难以突破0.3λ，急需发明更简单的方法用于产生更小的超振荡聚焦光斑。

有鉴于此，行业内急需研发一种结构简单且能产生尺寸更小的超振荡光针的系统或方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，包括：光源，用于产生单色激光；透镜，用于对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；锐边衍射组件，用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，产生超振荡聚焦光场；物镜组，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光场；相机，用于采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。

优选地，所述锐边衍射组件包括：金属圆盘或者金属圆环，所述金属圆盘、金属圆环的厚度均为百纳米量级，均制作于透明衬底上。

优选地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘为在玻璃基底上镀厚度为60nm，直径为9μm的金属膜制成。

优选地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆环为在玻璃基底上镀厚度为60nm，环内径为6μm，环缝宽为1μm的金属膜制成。

优选地，所述锐边衍射组件，还用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场。

优选地，所述物镜组包括：依次设置的物镜和套筒透镜；所述物镜，用于搜集并放大通过锐边衍射组件产生的超振荡聚焦光斑；所述套筒透镜，用于将搜集的聚焦光斑矫正并成像。

优选地，所述光源为氦氖激光器，所述为物镜组日本Nikon公司生产的高倍物镜组。

一种基于锐边衍射产生超振荡光针的方法，包括：

S1，对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；

S2，吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场；

S3，搜集并放大所述超振荡聚焦光场；

S4，采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)本发明以锐边衍射原理为技术手段，把锐边金属圆盘或金属圆环衍射波场的高阶频率成分以传播波的形式传递到远场，进行有规则的相干叠加，最终形成超振荡效应，在远场产生超振荡光针。

(2)本发明从原理上分析影响超振荡效应的因素，所设计的二元结构简单、操作灵活，极大地降低器件加工成本和难度，为研究光波及其它波动体系的超振荡效应提供新的途径。

(3)本发明将基于二元几何结构的锐边衍射原理，将激发的高阶衍射波场在远场形成超振荡聚焦光场，理论上，所激发的阶数越高，对应的聚焦光斑尺寸将越小。本发明可以实现深亚波长(～λ/6)聚焦光斑，其系统简单稳定且操控灵活，将有望广泛用于超分辨成像等领域。

附图说明

图1是本实施例的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统的结构示意图。

图2(a)为本实施例的以直径9μm的金属圆盘产生的超振荡聚焦光针图。

图2(b)为本实施例的以直径9μm的金属圆盘产生的高阶衍射波场传播2.8μm后形成的超振荡聚焦光斑图。

图2(c)为本实施例的以直径9μm的金属圆盘产生的高阶衍射波场传播4.0μm后形成的超振荡聚焦光斑图。

图3(a)为另一实施例的以内径6μm的金属圆环产生的超振荡聚焦光针图；

图3(b)为另一实施例的以内径6μm的金属圆环产生的高阶衍射波场传播3.7μm后形成的超振荡聚焦光斑图。

图3(c)为另一实施例的以内径6μm的金属圆环产生的高阶衍射波场传播4.9μm后形成的超振荡聚焦光斑图。

图4是本实施例的基于锐边衍射产生超振荡光针的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明涉及一种用二元振幅调制的锐边衍射组件，如金属圆盘或金属圆环，基于几何锐边衍射原理产生超振荡光针，所产生超振荡光针的方法简单易操控，可被广泛应用于远场超分辨成像、微粒操纵、生物光子学等领域。

参见图1、一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，包括：光源，用于产生单色激光；透镜2，用于对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；锐边衍射组件3，用于吸收(遮挡)准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，产生超振荡聚焦光场；物镜组，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光场；相机6，用于采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。

其中，透镜2对激光进行弱聚焦，在焦深区域形成准直平面光波。

在本实施例，所述锐边衍射组件3包括：金属圆盘或者金属圆环，所述金属圆盘、金属圆环的厚度均为百纳米量级，均制作于透明衬底上。透明衬底一方面可以吸收金属圆盘或金属圆环内的光场，另一方面在金属圆盘或金属圆环的边缘可以产生足够强的锐边衍射效应，诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量。具体地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘为在玻璃基底上镀厚度为60nm，直径为9μm的金属膜制成。更具体地，60nm厚的金属膜包括10nm铬加50nm金。本实施例的以直径9μm的金属圆盘产生的超振荡聚焦光针图如图2(a)所示，以直径9μm的金属圆盘产生的高阶衍射波场传播2.8μm后形成的超振荡聚焦光斑图如图2(b)所示，以径9μm的金属圆盘产生的高阶衍射波场传播4.0μm后形成的超振荡聚焦光斑图如图2(c)所示。

作为另一实施例，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆环为在玻璃基底上镀厚度为60nm，环内径为6μm，环缝宽为1μm的金属膜制成。更具体地，60nm厚的金属膜包括10nm铬加50nm金。另一实施例的以内径6μm的金属圆环产生的超振荡聚焦光针图如图3(a)所示，以内径6μm的金属圆环产生的高阶衍射波场传播3.7μm后形成的超振荡聚焦光斑图如图3(b)所示，以内径6μm的金属圆环产生的高阶衍射波场传播4.9μm后形成的超振荡聚焦光斑图如图3(c)所示。

在本实施例，所述锐边衍射组件3，还用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场。因此，百纳米量级的超振荡光针的产生来源于锐边结构诱导的高阶频谱分量的相干叠加。

在本实施例，所述物镜组包括：依次设置的物镜4和套筒透镜5；所述物镜4，用于搜集并放大通过锐边衍射组件3产生的超振荡聚焦光斑；所述套筒透镜5，用于将搜集的聚焦光斑矫正并成像。

线性偏振光源经过透镜2准直后，产生空间分布的平面光波。平面光波垂直入射金属圆盘或圆环结构，移动物镜4搜集通过锐边衍射组件3产生的不同位置的聚焦光斑，并联合使用套筒透镜5将聚焦光斑放大，最后用相机6采集并记录放大后的光斑。由于金属圆盘或圆环边缘的衍射效应，锐边金属圆盘或圆环衍射波场的高阶频率成分以传播波的形式传递到远场，进行有规则的相干叠加，最终形成超振荡效应，在远场产生超振荡光针。

在本实施例，所述光源为单色激光。具体地，所述光源为氦氖激光器，所述为物镜组日本Nikon公司生产的高倍物镜组。利用高倍物镜组对由金属圆盘或金属圆环产生的超振荡聚焦超小光斑进行搜集并放大，便于采集记录。

其中，利用透镜2还可以对出射的激光进行准直并产生平面光波。考虑到需要将光源转换成平面光波入射锐边衍射组件3，这里使用焦距较长的透镜2，使得聚焦点的焦深较长，将焦点附近近似为平面光波，让金属圆盘或者圆环置于焦点附近，与平面光波垂直。而由于经过金属圆盘或者圆环诱发高频分量干涉叠加产生的超振荡聚焦点太小，不能用相机6直接探测到，所以需要高倍物镜组进行放大后再用相机6采集记录。本实施例中采用由日本Nikon公司生产的高倍物镜组，可以将光斑尺寸放大100倍甚至150倍。

参见图4、所述的基于锐边衍射产生超振荡光针的方法，包括：

S1，对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；

S2，吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场；

S3，搜集并放大所述超振荡聚焦光场；

S4，采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。

综上所述，本发明提出一种简易可行的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。结合锐边金属圆盘或圆环即可实现百纳米量级超振荡光针的产生，该系统结构简易，操作灵活，稳定且造价低廉，具有显著实用价值。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，其特征在于，包括：

光源，用于产生单色激光；

透镜，用于对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；

锐边衍射组件，用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场；

物镜组，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光场；

相机，用于采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场；

所述锐边衍射组件包括：金属圆盘或者金属圆环，所述金属圆盘、金属圆环的厚度均为百纳米量级，均制作于透明衬底上；金属圆盘或金属圆环的边缘产生锐边衍射效应，诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量。

2.根据权利要求1所述的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，其特征在于，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘为在玻璃基底上镀厚度为60nm，直径为9μm的金属膜制成。

3.根据权利要求1所述的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，其特征在于，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆环为在玻璃基底上镀厚度为60nm，环内径为6μm，环缝宽为1μm的金属膜制成。

4.根据权利要求1所述的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，其特征在于，所述物镜组包括：依次设置的物镜和套筒透镜；所述物镜，用于搜集并放大通过锐边衍射组件产生的超振荡聚焦光斑；所述套筒透镜，用于将搜集的聚焦光斑矫正并成像。

5.根据权利要求1所述的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，其特征在于，所述光源为氦氖激光器，所述物镜组为日本Nikon公司生产的高倍物镜组。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统的产生超振荡光针的方法，其特征在于，包括：

S1，对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；

S2，吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场；

S3，搜集并放大所述超振荡聚焦光场；

S4，采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。

Images