[发明专利]一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件

说明书

一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，包括基底和位于基底上的同心介质圆环阵列，同心介质圆环阵列是由N个同心的介质圆环结构单元构成。通过介质圆环单元的厚度实现对入射光束的相位调控；通过由介质圆环单元构成的同心介质圆环阵列的优化设计，实现远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件所需要的相位空间分布，在对柱矢量光束入射条件下，在焦距附近产生远场超衍射三维空心焦斑。通过控制入射柱矢量光束的角向偏振态和径向偏振态的振幅比例，可以提高超衍射三维空心焦斑的光学约束能力。该器件具有厚度薄、质量轻和便于集成等特点，可应用于受激发射损耗显微、光镊、纳米光刻以及超高密度数据存储等领域。

技术领域

本发明属于微纳光学、光学聚焦以及衍射光学等领域，具体涉及一种二值相位的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件。

背景技术

由于衍射极限制约，传统光学系统分辨率无法突破理论极限0.5λ/NA(其中λ为波长，NA为光学系统数值孔径)。光学器件衍射极限严重制约了超高分辨光学系统的研制和发展。空心聚焦焦斑可用于光镊、超分辨显微、粒子操控等，受到人们越来越多的重视。在受激发射损耗显微技术(Stimulated Emission Depletion Microscopy，简记为STED)应用中，三维空心焦斑作为受激发射损耗显微的损耗光，可改善远场超分辨显微成像的分辨率。

(1)目前实现三维空心焦斑的技术手段，主要有采用拉盖尔-高斯径向偏振光，也称为double-ring-shaped径向偏振光(R-TEM₁₁*mode beam)入射，通过高数值孔径的物镜聚焦获得了三维空心焦斑；采用圆偏振光和0～2π的涡旋相位板形成三维空心焦斑，该方法所使用的0～2π的涡旋相位板制备难度较大；利用0/π四象限相位板聚焦，结合径向偏振光在显微物镜的附近得到三维空心焦斑，然而，该方法需要精确的光路调节；相关文献有：

●Y.Kozawz and S.Sato,“Focusing property of a double-ring-shapedradially polarized beam,”Opt,Lett.Vol.31,pp820-822(2006).

●Hell，“Far-field optical nanoscopy,Single Molecule Spectroscopy inChemistry”,Physics and BiologyVol.96,pp365-398(2010).

●Yi Xue,Cuifang Kuang,Xiang Hao,Zhaotai Gu and Xu Liu,“A method forgenerating a three-dimensional dark spot using a radially polarized beam,”Journal of optics.Vol.13,pp,125704-125713(2011).

(2)根据现有的采用高数值孔径物镜产生三维空心焦斑的方法，其物镜体积大、不利于集成(如文献：Y.Kozawz and S.Sato,“Focusing property ofa double-ring-shapedradially polarized beam,”Opt,Lett.Vol.31,pp820-822(2006))。

(3)根据现有的基于4π聚焦系统的三维空心焦斑产生方法，需要依赖于两个高数值孔径的传统物镜，且需要对光路进行精细的对准，大大限制了其应用领域(如文献：BokorN,&Davidson N.Generation of a hollow hollow spherical spot by 4pi focusing ofa radially polarized Laguerre-Gaussian beam.Opt.Lett.Vol.31,149-151(2006))。

发明内容