《超振盪環帶片遠場亞波長聚焦矢量機理研究》是依託西安交通大學，由劉濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超振盪環帶片遠場亞波長聚焦矢量機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉濤
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
利用光學超振盪現象實現不依賴於近場倏逝波貢獻的遠場亞波長聚焦及超分辨成像是2009年以來引起科學界廣泛關注的國際前沿熱點研究課題，目前亟待解決超振盪環帶片（Super-oscillatory Annular Plate，SAP）亞波長聚焦矢量電磁理論機理揭示及探測機制建立難題。本項目研究基於矢量角譜理論和嚴格電磁場數值分析算法（時域有限差分法），將建立SAP微結構亞波長聚焦的通用、快速、矢量最佳化設計方法和SAP微結構嚴格電磁場分析計算模型，並利用共焦軸向光學層析納米定位原理，實現光學超振盪亞波長聚焦的實驗探測，通過理論與實驗比較研究，深刻揭示光學超振盪亞波長聚焦的矢量機理及其本質。本項目研究在遠場超分辨光學納米顯微成像、高深寬比微納光刻、微觀粒子操縱、高密度光學數據存儲、近場光學等領域具有重要的科學價值和廣闊的套用前景。
結題摘要
光學超分辨聚焦及成像長期以來是國內外科學研究的熱點和難點問題，而利用光學超振盪實現遠場亞波長聚焦及成像是過去十年國際熱點研究課題之一。本項目重點研究了超振盪環帶片（Super-oscillatory Annular Plate，SAP）遠場亞波長聚焦矢量機理，主要研究內容及取得的重要結果有： 基於矢量角譜理論推導得到了線偏振光、圓偏振光、徑向偏振光等典型矢量偏振雷射光束垂直照明超振盪環帶片時，任意垂軸平面內光場的衍射傳播積分表達式； 系統地建立了實現單焦點和超細光針的SAP遠場聚焦矢量最佳化模型，並採用遺傳算法和快速漢克爾變換算法進行最佳化求解，在可見光至深紫外波段有效設計了多組金屬膜超振盪環帶片； 基於嚴格電磁場數值仿真分析算法——時域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）建立了SAP嚴格電磁物理分析模型，研究揭示了金屬膜SAP的金屬膜材料類型、薄膜厚度、波長色散等對衍射聚焦光場的影響規律，優選照明波長的1/10~1/6厚的金屬鋁膜作為鍍膜參數； 提出了超振盪環帶片三維全矢量電磁分析方法，分為矢量電磁聚焦和電磁成像兩個過程，後者採用等價磁偶極子矢量成像理論進行精確描述，首次揭示了遠場顯微成像間接實驗探測方法僅可有效探測聚焦電場的橫向分量； 系統研究了大數值孔徑菲涅爾波帶片（Fresnel Zone Plate，FZP）聚焦特性，可實現超分辨、單焦點、線性焦移色散，發現並命名了準確描述FZP軸向聚焦光斑尺度的Jiang-Wilson公式； 實驗探索了電子束光刻方法製備典型SAP微結構單元的工藝參數，並利用掃描電鏡等進行了表征； 提出採用結構光照明層析定位機理精確確定SAP最佳聚焦平面軸向位置的方法，而後利用高倍、大數值孔徑顯微成像系統實現SAP聚焦光場的探測，並與掃描近場光學顯微鏡SAP近場實驗結果進行了比較分析。 本項目研究結果在微納光學、集成光學、納米光子學、顯微技術、精密工程等領域具有重要科學價值，具體在微光學系統集成、遠場超分辨光學聚焦、納米顯微成像、微納光刻、粒子操縱、近場光學等方面具有重要的現實意義和廣闊的套用前景。
