【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳光学领域，涉及一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜及其目标相位设计方法。
技术介绍
1、超透镜作为一种微型的平面光学元件，能够在纳米尺度灵活操作光的相位、振幅。由于具有高自由度和高集成度等优点，超透镜作为微型物镜已经应用于微创内窥显微成像中。利用超透镜生成纵向多焦点阵列可以应用于生物组织三维成像，通过并行化扫描来提高成像速度、帧率，应用于研究生物系统的动力学过程。例如不同蛋白结构之间的相互作用关系、突触末梢神经递质的释放过程。通过聚焦多个轴向平面提高成像体积、视野，应用于研究多尺度生理结构的形态学信息。例如监测具有广泛树突树结构的神经元集合。利用超透镜个性化定制纵向多焦点阵列的位置和数量可以用作光遗传学工具，在活体组织中在时空分辨率尺度上研究特定离子通道和受体结构和功能。例如定向光刺激靶标蛋白促进生物活性分子释放、精准控制蛋白分子激活和失活的可逆转化、光诱导特定蛋白质表达探究分子相互作用机制。因此，超透镜产生纵向多焦点阵列具有非常广阔的生物医学应用前景。
2、现阶段有多种技术可以生成多焦点阵列，例如通过空间光调制器或相位滤波器与高数值孔径的组合光学系统产生多焦点，通过4pi光学系统生成多焦点阵列，但是光学系统繁琐复杂，不够灵活。具有特殊倒圆锥凹面的微透镜也可以生成光链，但是特殊凹面结构复杂，加工难度大。此外，还有利用超透镜元单元的几何相位特性对圆偏振光调制产生多焦点，但是相位设计原理复杂。本专利技术对超透镜的目标相位分布精心设计，叠加用于焦点移动调制的扇形分区相位和用于聚焦的双曲线相位，选择并排列
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中生成多焦点阵列的光学系统繁琐，元单元结构难加工，生成多焦点相位原理复杂等缺陷，本专利技术提供一种生成纵向多焦点阵列的超透镜及其相位设计方法，叠加双曲线聚焦相位和扇形分区相位形成目标相位，均匀划分的m个扇区相位依次控制焦斑位移为-δf、0、δf，根据设计的目标相位选择并排列高度统一的纳米柱组成超透镜。超透镜结构简单且尺寸极薄，相位设计方法具有原理简单容易实现特点。在径向偏振贝塞尔高斯光束的入射下，超透镜生成的多焦点阵列具有较高的焦点能量均匀性和较低焦距误差。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、步骤1、选择超透镜工作波长λ、多焦点阵列的焦点数目n、焦点阵列中心焦点位置f、焦点间隔δf。
4、步骤2、在超透镜工作波长下，研究高度统一但不同宽度的纳米柱结构的光学响应特性，对纳米柱结构的宽度进行调节以确定可以对工作波长实现2π相位调制的尺寸范围。
5、步骤3、确定需要聚焦的多焦点阵列中心焦点位置f，设计超透镜的双曲线聚焦相位分布利用超透镜的等光程原理，若产生位于f处的焦点，超透镜的聚焦相位分布应满足：
6、
7、λ为入射光工作波长，(x，y)为超透镜上坐标点。
8、步骤4、选择需要聚焦的各个纵向焦点的焦距间隔δf，确定焦点阵列位置为(f-δf，f，f+δf)。根据richards-wolf矢量衍射理论，若焦点移动δf，超透镜用于焦点移动的相位应满足：
9、
10、将超透镜均匀划分为m个扇形区域，每个扇形区域的圆心角为2π/m，扇形区域数目m为多焦点阵列中焦点数目n的整数倍，每个扇区相位依次控制焦斑位移为-δf、0、δf。
11、步骤5、叠加步骤3和步骤4所确定的相位分布叠加作为超透镜最终目标相位分布。
12、步骤6、选择可以满足最终目标相位分布的纳米柱结构，将其放置在基底的对应位置上，组成超透镜。
13、步骤7、从超透镜基底入射具有径向偏振的贝塞尔高斯光束，经过纳米柱结构阵列的相位调制后，入射光在沿光轴方向形成间隔δf的多个独立的聚焦焦斑。
14、本专利技术对超透镜的目标相位分布精心设计叠加用于焦点移动调制的扇形分区相位和用于聚焦的双曲线相位，设计的超透镜可生成纵向多焦点阵列，在相位设计步骤3和步骤4中，通过调节中心焦点的f和焦距间隔δf取值，多焦点阵列的位置可以改变。
15、本专利技术的有益效果是：超透镜具有二维平面、元单元结构简单的优势，相位设计原理简单易实现，克服了传统光学器件体积庞大、生成多焦点阵列的光学系统繁琐，元单元结构复杂，生成多焦点相位原理复杂缺点，叠加双曲线聚焦相位和扇形分区相位形成目标相位，使焦点能量均匀性焦点位置精准度得到保证。
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1.一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜及其目标相位设计方法，其特征在于：平面超透镜集成聚焦和焦斑移动功能，超透镜目标相位包括两个不同的部分。
2.根据权利要求1所述的一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜，其特征在于：组成超透镜的纳米柱元单元高度统一，超透镜为二维平面透镜。
3.根据权利要求1所述的一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜，其特征在于：超透镜入射光为具有径向偏振的贝塞尔高斯光束。
4.一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜的目标相位设计方法，其特征在于包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜的目标相位设计方法，其特征在于：扇区数目M为焦点数目N的整数倍，以保证多焦点阵列焦点能量均匀性。
【技术特征摘要】
1.一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜及其目标相位设计方法，其特征在于：平面超透镜集成聚焦和焦斑移动功能，超透镜目标相位包括两个不同的部分。
2.根据权利要求1所述的一种用于生成纵向多焦点阵列的平面超透镜，其特征在于：组成超透镜的纳米柱元单元高度统一，超透镜为二维平面透镜。
3.根据权利要求1所述的一种用于生成纵向多焦...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘淑静，修东铭，石鑫，巨丹丹，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：
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