CN114815277A - 基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法及装置，包括：制备拓扑荷数相关的超薄平面结构样品；激光器发出的高斯光经过空间光调制器，形成拓扑荷数匹配的结构光束；使用透镜将结构光束进行缩束，使结构光束尺寸匹配超薄平面结构样品；调整超薄平面结构样品的位置与角度，使结构光束垂直入射超薄平面结构样品，结构光束在经过超薄平面结构时发生锐边衍射，得到聚焦后的光针和焦点。本发明通过超薄平面结构，将携带拓扑荷数的光束转换为不具有螺旋特征的高分辨率聚焦光束，减少主焦斑能量损失，实现较高能量转化率的超衍射极限的光场聚焦。

Description

基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法及装置

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，更具体地说是一种基于超薄平面结构的光场紧聚焦装置及方法。

背景技术

早在公元前424年，透镜就有应用于汇聚光线的记录，如今，透镜已被广泛运用于医疗、军事以及日常生活当中，尤其是利用透镜进行光学成像，在诸多学科领域中的研究和工业生产中都具有重要的意义。在光学成像的各项性能指标中，成像的分辨率是评价一个成像系统最核心的性能指标。对于光学器件来说，小型化的趋势是一个必然的要经历的挑战，但是由于光的波动性，传统透镜组的分辨率受到衍射极限限制，要接近这个极限需要复杂的光学透镜的组合，从而增加整个光学系统的尺寸。因此，突破衍射极限而获得超分辨的聚焦和成像成为了当前研究的一大热点和难点，并对诸多学科领域的研究和工业生产都具有重大意义。

为了应对这一挑战，一种基于“超材料”的名为“超透镜”的新技术被提出。“超材料”，指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的，奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小，通常超材料的整体体积在毫米量级。

“超透镜”可以被看作是“超材料”(在二维平面上)的衍生材料，其是由亚波长的谐振器(通常被称作亚原子或者超原子)构成的二维人工光子结构，超表面的阵列元素远小于工作波长(约为十分之一波长量级)，因此厚度相较于超材料而言可以忽略不记。超透镜通过构建衬底材料表面上的纳米结构来诱导相位的变化，这与传统透镜基于透射材料内部光线路径长度的相位诱导机制完全不同，通常用于给予介电超表面相位延迟的方法有截断波导，几何相位，共振以及惠更斯纳米天线。与此同时，由于纳米天线诱导的的最大相位模在2π左右，因此具有显著光焦度的超透镜也能被看作是一种特殊的衍射透镜，但超透镜相较于传统衍射透镜来说有着更多的自由度，因为其纳米结构有着无限的形式。近年来，对于超透镜的研究越来越深入，人们通过对相位轮廓的设计使得超透镜已经不仅仅能提供光焦度，还能还有着丰富的应用，例如改变光的偏振态，校正色差，超高数值孔径实现高分辨等。

然而，超透镜聚焦的原理也决定了在焦平面上中心聚焦光斑的周围一定会存在旁瓣光场，这会对视场造成较大影响，也限制了这一方法在实际研究中的应用。虽然可以通过在主焦斑和旁瓣之间叠加零强度点的方式来扩大视场区域，但这也会进一步减小主焦斑的能量。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一目的在于提供一种基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，通过超薄平面结构，将携带拓扑荷数的光束转换为不具有螺旋特征的高分辨率聚焦光束，减少主焦斑能量损失，实现较高能量转化率的超衍射极限的光场聚焦。

基于相同的发明构思，本发明的第二个目的在于提供一种基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，包括以下步骤：

制备拓扑荷数相关的超薄平面结构样品；

激光器发出的高斯光经过空间光调制器，形成拓扑荷数匹配的结构光束，所述拓扑荷数匹配的结构光束，是指与拓扑荷数相关的超薄平面结构样品具有相同拓扑荷数数值的结构光束；

使用透镜将结构光束进行缩束，使结构光束尺寸匹配超薄平面结构样品；

调整超薄平面结构样品的位置与角度，使结构光束垂直入射超薄平面结构样品，结构光束在经过超薄平面结构时发生锐边衍射，得到聚焦后的光针和焦点。

进一步的，所述拓扑荷数相关的超薄平面结构样品包括透光的平面光学元件和金属膜；其中金属膜拓扑荷数相关的几何图案狭缝，金属膜贴覆于透光的平面光学元件表面，构成超薄平面结构样品的截断层。

进一步的，所述截断层的厚度为60-100纳米，几何图案狭缝的缝宽为0.5-2微米。

进一步的，所述透光的平面光学元件由石英玻璃制成，所述截断层由金制成；所述超薄平面结构样品在石英玻璃上沉积金箔，使用聚焦离子束在金箔上蚀刻出所设计的几何图案制成。

进一步的，所述几何图案狭缝为螺旋形，螺旋形几何图案可以由单个或多个螺旋元素组合而成，多个螺旋元素之间具有旋转对称特征。

进一步的，所述拓扑荷数相关的螺旋形几何图案由如下方法得到：

将具有拓扑荷数的涡旋光场与球面波干涉，对干涉强度分布图进行阈值化处理，使螺旋形掩膜版满足以下透过率函数：

其中，x′、y′为掩膜版平面上的空间坐标，I为干涉强度，I₀为设定的干涉强度阈值；

再用预设半径的基圆截取阈值化处理后的图案，以确保控制超薄平面结构的整体尺寸。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置，包括：

激光器，用于产生高斯线偏振光；

空间光调制器，用于将高斯线偏振光调制形成具有拓扑荷数的结构光束；

透镜组，用于调整结构光束的尺寸，使结构光束尺寸匹配超薄平面结构样品；

超薄平面结构样品，用于对拓扑荷数匹配的结构光束进行聚焦；

三维移动平台，用于调整上述光激光器、空间光调制器、透镜组、超薄平面结构样品位置和姿态，使尺寸匹配的结构光束垂直入射超薄平面结构样品。

进一步的，所述具有拓扑荷数的结构光束为涡旋光场或矢量光场。

进一步的，所述超薄平面结构样品包括透光的平面光学元件和金属膜；金属膜拓扑荷数相关的几何图案狭缝，金属膜贴覆于透光的平面光学元件表面，构成超薄平面结构样品的截断层；

所述几何图案狭缝为螺旋形，螺旋形几何图案由单个或多个螺旋元素组合而成，多个螺旋元素之间具有旋转对称特征。

进一步的，所述螺旋形图案由如下方法得到：

将具有拓扑荷数的涡旋光场与球面波干涉，对干涉强度分布图进行阈值化处理，使螺旋形掩膜版满足以下透过率函数：

其中，x′、y′为掩膜版平面上的空间坐标，I为干涉强度，I₀为设定的干涉强度阈值；

再用设定半径的基圆截取阈值化处理后的图案，得到拓扑荷数相关的螺旋形几何图案。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明提出的基于超薄平面结构的光场紧聚焦方法及装置，利用超表面结构对结构光场进行调控实现紧聚焦，在保证低数值孔径的同时，实现较高能量转化率的超衍射极限的光场聚焦，在超分辨扫描成像、精密加工、失效检测等多个领域都具有广泛的应用前景。

2、本发明提出的基于超薄平面结构的光场紧聚焦方法及装置，在保证低数值孔径的同时，所使用的超表面结构体积远小于同等聚焦能力的其它光学结构。且由于超表面结构对材料的要求更低，本发明提出的基于超薄平面结构的光场紧聚焦方法在实现成本上相较于一般方法也具有优势。

3、区别于传统的衍射透镜与超透镜，本发明从原理上创新性地提出基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法及装置，利用衍射聚焦效应，诱导光场的相位变化，从而实现改变偏振态，改变拓扑荷数，提供额外光焦度等功能。本发明所设计的超薄平面结构比传统超透镜更薄，更容易制备，操作使用简单、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提供新的途径。本发明可以实现亚波长(～λ/2)接近衍射极限聚焦光斑，拥有超高数值孔径(～0.91)，其制备容易，使用简单稳定且操控灵活。

附图说明

图1为本发明实施例1的拓扑荷数相关的螺旋形图案。

图2为本发明实施例1的超薄平面结构的螺旋形图案。

图3为本发明实施例1的超分辨成像体系光学系统示意图。

图4为本发明实施例1的焦点处光斑截面图。

图5为本发明实施例1的涡旋光场经过超薄平面结构后的与传播距离相关的光场信息图象。

图6为本发明实施例2的焦点处光斑截面图。

图7为本发明实施例2的涡旋光场经过超薄平面结构后的与传播距离相关的光场信息图象。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于超薄平面结构的光场紧聚焦方法，并用于超分辨，包括以下步骤：

S1、在透光的平面光学元件上制备金属膜，对金属膜刻蚀出具有几何图案的狭缝，以形成超薄平面结构样品，其中透光的平面光学元件为超薄平面结构的透光基板，具有几何图案狭缝的金属膜构成超薄平面结构的截断层。本步骤包括：

S11、将具有拓扑荷数的涡旋光场与球面波干涉，对干涉强度分布图以I₀进行阈值化处理，取半径为R的基圆截取螺旋形图案，以确保控制超薄平面结构的整体尺寸，螺旋形掩模版满足以下透过率函数：

其中，x′，y′为掩膜版平面上的空间坐标，I为干涉强度，I₀为设定的干涉强度阈值。

得到如图1所示的螺旋形图案。

S12、在厚度为1mm的石英玻璃上沉积厚度不大于

的金箔，其中λ为入射光波长，由所使用的激光器确定。使用聚焦离子束在金箔上蚀刻出所设计的螺旋形图案，制成图案如图2所示的超薄平面结构样品。

S2、如图3所示，搭建超分辨成像体系，所述超分辨成像体系包括涡旋光场体系、超薄平面结构和成像观测体系。

涡旋光场体系包括10mW氦氖激光器(工作波长为632.8nm)、扩束镜、空间光调制器、透镜和物镜；氦氖激光器与电源连接；空间光调制器的液晶面由电脑控制；透镜构成4f系统；物镜用于调整光束尺寸以适配超薄平面结构样品。

超薄平面结构置于样品台上。

成像观测体系包括150倍显微物镜、筒镜、CCD摄像机和计算机；电源分别为照明光源、CCD摄像机和计算机供电；显微物镜、筒镜和CCD摄像机组成光束采集装置；CCD摄像机与计算机连接，实现在计算机上可视化实时观测超薄平面结构的聚焦效果。

S3、制备符合期望的涡旋光场。包括：

S31、打开氦氖激光器和空间光调制器，使氦氖激光器出射的高斯线偏振光扩束后垂直射向空间光调制器。

S32、空间光调制器输出经电脑编码后的相位掩模版，高斯光经相位掩模板调制后形成涡旋光光场。

S33、调整空间光调制器、4f系统与物镜底部的三维移动平台，使其出射的涡旋光光斑形状完好，光强度均匀，尺寸与超薄平面结构样品相适应。

S4、调整超薄平面结构样品的位置与角度，使涡旋光场垂直入射各超薄平面结构样品，涡旋光场经过超薄平面结构样品时发生锐边衍射，实现超分辨聚焦效果。

S5、调整采集成像观测体系中的显微物镜的位置，使其在适当位置处能采集到聚焦后的光斑，经筒镜后入射CCD摄像机。

S6、打开CCD摄像机，打开计算机控制CCD摄像机的软件，调节显微物镜的三维移动平台的螺旋轴，对焦微粒样品，直到获得清晰的图像，记作z＝0点。

S7、调节显微物镜的三维移动平台的螺旋轴，把显微物镜慢慢远离超薄平面结构，从而捕捉经超薄平面结构后的与距离相关的光场信息，用CCD摄像机软件实时拍下光场光斑截面图。

S8、实验结束，关闭氦氖激光器，关闭空间光调制器，关闭CCD摄像机，保存实验数据，并用锡纸遮挡好光学元件。

实施例2

本实施例提供了一种基于超薄平面结构的光场紧聚焦方法，并用于超分辨，包括以下步骤：

S1、在透光的平面光学元件上制备金属膜，对金属膜刻蚀出具有几何图案的狭缝，以形成超薄平面结构样品，其中透光的平面光学元件为超薄平面结构的透光基板，具有几何图案狭缝的金属膜构成超薄平面结构的截断层。本步骤包括：

S11、将涡旋光场与球面波干涉，对干涉强度分布图以I₀进行阈值化处理，取半径为R的基圆截取螺旋形图案，以确保控制超薄平面结构的整体尺寸，螺旋形掩模版满足以下透过率函数：

得到螺旋形图案。

S12、在厚度为1mm的石英玻璃上沉积厚度不大于

的金箔，其中λ为入射光波长，本实施例中，λ取632.8nm。使用聚焦离子束在金箔上蚀刻出所设计的螺旋形图案，制成超薄平面结构样品。

S2、搭建超分辨成像体系，所述超分辨成像体系包括矢量光场体系、超薄平面结构和成像观测体系。

矢量光场体系包括10mW氦氖激光器(工作波长为632.8nm)、扩束镜、空间光调制器、q板、波形发生器、透镜和物镜；氦氖激光器与电源连接；空间光调制器的液晶面由电脑控制；波形发生器产生方形波控制q板的液晶长轴分布；透镜构成4f系统；物镜用于调整光束尺寸以适配超薄平面结构样品。

超薄平面结构置于样品台上。

成像观测体系包括150倍显微物镜、筒镜、CCD摄像机和计算机；电源分别为照明光源、CCD摄像机和计算机供电；显微物镜、筒镜和CCD摄像机组成光束采集装置；CCD摄像机与计算机连接，实现在计算机上可视化实时观测超薄平面结构的聚焦效果。

S3、制备符合期望的矢量光场。包括：

S31、打开氦氖激光器和空间光调制器，使氦氖激光器出射的高斯线偏振光扩束后垂直射向空间光调制器。

S32、空间光调制器输出经电脑编码后的相位掩模版，高斯光经相位掩模板调制后形成携带OAM的光场。

S33、调整空间光调制器、4f系统与物镜底部的三维移动平台，使其出射的OAM光斑形状完好，光强度均匀，尺寸与超薄平面结构样品相适应。将OAM入射到受波形发生器控制的q板液晶面上，改变光场的偏振态分布，得到所需的矢量光场。

S4、调整超薄平面结构样品的位置与角度，使矢量光场垂直入射超薄平面结构样品，矢量光场经过超薄平面结构样品时发生锐边衍射，实现超分辨聚焦效果。

S5、调整采集成像观测体系中的显微物镜的位置，使其在适当位置处能采集到聚焦后的光斑，经筒镜后入射CCD摄像机。

S6、打开CCD摄像机，打开计算机控制CCD摄像机的软件，调节显微物镜的三维移动平台的螺旋轴，对焦微粒样品，直到获得清晰的图像，记作z＝0点。

S7、调节显微物镜的三维移动平台的螺旋轴，把显微物镜慢慢远离超薄平面结构，从而捕捉经超薄平面结构后的与距离相关的光场信息，用CCD摄像机软件实时拍下光场光斑截面图。

S8、实验结束，关闭氦氖激光器，关闭空间光调制器，关闭CCD摄像机，保存实验数据，并用锡纸遮挡好光学元件。

实施例3

与实施例1、2基于相同的发明构思，本实施例提供的是一种基于超薄平面结构的光场紧聚焦装置，包括：

10mW氦氖激光器，氦氖激光器与电源连接，产生波长为632.8nm的高斯线偏振光。

扩束镜，将激光器产生的线偏振光的尺寸调整至与空间光调制器相适应。

空间光调制器，空间光调制器的液晶面由电脑控制，将高斯线偏振光调制成涡旋光场。

透镜，构成4f系统。

物镜，用于调整光束尺寸以适配超薄平面结构样品。

超薄平面结构，包括透光的平面光学元件和金属膜；其中金属膜贴覆于透光的平面光学元件表明，且拓扑荷数相关的螺旋形几何图案狭缝，具有几何图案狭缝的金属膜构成超薄平面的截断层。

在本实施例中，透光的平面光学元件可以采用石英玻璃制成，超薄平面结构在石英玻璃上沉积金箔，使用聚焦离子束在金箔上蚀刻出所设计的螺旋形几何图案制成截断层。截断层的厚度为60-100纳米，几何图案狭缝的缝宽为0.5-2微米。

三维移动平台，用于调整上述光激光器、扩束镜、空间光调制器、透镜、物镜、超薄平面结构样品位置和姿态，使尺寸匹配的结构光束垂直入射超薄平面结构样品。

由此可知，本发明主要利用衍射聚焦的原理，提出基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置及方法，不同于以往超透镜的相位诱导机制，而是研发了一种新的机制去诱导光场的相位变化，给紧聚焦提供了新的方法与装置。

在本发明中，这种新的紧聚焦技术运用新机制，即衍射聚焦的原理，通过超薄平面的几何锐边结构诱导空间频率使其在频谱空间中存在特定分布。这种全局调控方法区别于一般超透镜的局部相位调制，薄膜的空间几何形状决定了衍射波矢量的分布,选择合适的薄膜衍射几何形状可以调控高阶衍射波矢量在倒易空间中的期望分布使其产生紧聚焦的功能，如实施例1中所展示的匹配拓扑荷数的OAM光束的紧聚焦，以及实施例2中所展示的匹配拓扑荷数的矢量光场的紧聚焦。激光器发出的高斯光经过空间光调制器后产生拓扑荷数匹配的结构光束，结构光束通过所设计的超薄平面结构后，能诱导出额外的光焦度实现聚焦，诱导的相位变化能实现对结构光束拓扑荷数的改变或保留，当且仅当拓扑荷数匹配时，能够将携带有拓扑荷数的光束转换为不具有螺旋特征的高分辨率聚焦光束。这种宽带的、全局相位调制的超薄平面结构不受制备材料的限制，使其更容易实现低成本制造，在超分辨扫描成像、光刻、光通信等领域有着潜在的运用。

也就是说，本发明提出的基于超薄平面结构的光场紧聚焦方法及装置，不同于常见的超表面，不需要复杂的亚原子结构设计与高精度的光学加工，而是利用超薄平面结构与光场的相互作用，在二维面上实现了诱导衍射的空间高频波的相干叠加，从而在傅里叶域内实现对输入光场的操控。能实现包括但不限于聚焦、改变偏振态等对光的波前处理的操控。如今，光学元器件的需求越来越要求其轻量化和易便携化，本发明提出的技术方案显然为克服这些挑战提供了机会与方法。可见光波段下，在空气中该超薄平面结构的数值孔径达到0.9，可以广泛运用于光学成像、光通信、生物医疗、军事等领域，极大地扩展了光学设计的前沿，使光学元件的厚度、尺寸、复杂性得到有效的降低。

显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备拓扑荷数相关的超薄平面结构样品；

激光器发出的高斯光经过空间光调制器，形成拓扑荷数匹配的结构光束；

使用透镜组将结构光束进行缩束，使结构光束尺寸匹配超薄平面结构样品；

调整超薄平面结构样品的位置与角度，使结构光束垂直入射超薄平面结构样品，得到聚焦后的光针和焦点。

2.根据权利要求1所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，其特征在于，所述拓扑荷数相关的超薄平面结构样品包括透光的平面光学元件和金属膜；金属膜拓扑荷数相关的几何图案狭缝，金属膜贴覆于透光的平面光学元件表面，构成超薄平面结构样品的截断层。

3.根据权利要求2所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，其特征在于，所述截断层的厚度为60-100纳米，几何图案狭缝的缝宽为0.5-2微米。

4.根据权利要求2所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，其特征在于，所述透光的平面光学元件石英玻璃制成，所述截断层由金制成；所述超薄平面结构样品在石英玻璃上沉积金箔，使用聚焦离子束在金箔上蚀刻出所设计的几何图案制成。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，其特征在于，所述几何图案狭缝为螺旋形，螺旋形几何图案由单个或多个螺旋元素组合而成，多个螺旋元素之间具有旋转对称特征。

6.根据权利要求2-4所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的方法，其特征在于，所述拓扑荷数相关的螺旋形几何图案由如下方法得到：

将具有拓扑荷数的涡旋光场与球面波干涉，对干涉强度分布图以I₀进行阈值化处理，使螺旋形掩膜版满足以下透过率函数：

其中，x′、y′为掩膜版平面上的空间坐标，I为干涉强度，I₀为设定的干涉强度阈值；

再用预设半径的基圆截取阈值化处理后的图案，得到拓扑荷数相关的螺旋形几何图案。

7.基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置，其特征在于，包括：

激光器，用于产生高斯线偏振光；

空间光调制器，用于将高斯线偏振光调制形成具有拓扑荷数的结构光束；

透镜组，用于调整结构光束的尺寸；

超薄平面结构样品，用于对拓扑荷数匹配的结构光束进行聚焦；

三维移动平台，用于调整上述光激光器、空间光调制器、透镜组、超薄平面结构样品位置和姿态，使尺寸匹配的结构光束垂直入射超薄平面结构样品。

8.根据权利要求7所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置，其特征在于，所述具有拓扑荷数的结构光束为涡旋光场或矢量光场。

9.根据权利要求7所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置，其特征在于，所述超薄平面结构样品包括透光的平面光学元件和金属膜；金属膜拓扑荷数相关的几何图案狭缝，金属膜贴覆于透光的平面光学元件表面，构成超薄平面结构样品的截断层；

所述几何图案狭缝为螺旋形，螺旋形几何图案由单个或多个螺旋元素组合而成，多个螺旋元素之间具有旋转对称特征。

10.根据权利要求9所述的基于超薄平面结构实现光场紧聚焦的装置，其特征在于，所述螺旋形图案由如下方法得到：

将特定拓扑荷数的涡旋光场与球面波干涉，对干涉强度分布图以I₀进行阈值化处理，使螺旋形掩膜版满足以下透过率函数：

其中，x′、y′为掩膜版平面上的空间坐标，I为干涉强度，I₀为设定的干涉强度阈值；

再用预设半径的基圆截取阈值化处理后的图案，得到拓扑荷数相关的螺旋形几何图案。

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