一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术将环形分区的超材料透镜和环形分区的滤光片结合，本发明专利技术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。本发明专利技术集成度高，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。

【技术实现步骤摘要】
一种利用超材料透镜的双光束超分辨聚焦方法
本专利技术涉及到光学领域，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。
技术介绍
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。StefanHell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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术的环形分区滤光片的示意图；图2为本专利技术的环形分区超材料透镜的示意图；图3为本专利技术的纳米天线示意图；图4为本专利技术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为本专利技术的环形光斑和同轴实心光斑的俯本文档来自技高网...

【技术保护点】
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R

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建农，朱林伟，李志刚，徐钦峰，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37