[发明专利]一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，包括：光源，用于产生单色激光；透镜，用于对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；锐边衍射组件，用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，产生超振荡聚焦光场；物镜组，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光场；相机，用于采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。本发明提出一种简易可行的基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。结合锐边金属圆盘或圆环即可实现百纳米量级超振荡光针的产生，该系统结构简易，操作灵活，稳定且造价低廉，具有显著实用价值。

技术领域

本发明涉及超振荡光针的产生技术领域，具体涉及一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。

背景技术

超振荡这一概念出现在量子力学的弱测量概念中：在空间局部测量获得的光波波数值，可能并不存在于空间整体测量结果的范围内。2006年，英国布里斯托大学Berry及其合作者首次将量子超振荡的概念与光学超分辨联系起来，从理论上指出，利用特殊设计的光学微纳结构(如亚波长光栅结构)对入射平面光场进行振幅调制，调制后的衍射光场在远场区域可以实现亚波长光学超衍射极限聚焦，并把该现象命名为光学超振荡。

Berry的研究成果在国际上引起了强烈的反响，国内外许多研究组在这个问题上展开了深入的研究。例如，2012年，英国南安普顿大学Zheludev研究团队利用矢量衍射理论并结合优化算法，在金属薄膜上加工出精细的二元振幅型金属圆环阵列结构，称之为超振荡透镜，在距离超振荡透镜10.3μm处实现聚焦光斑，其半高宽为0.29λ。2013年，新加坡国立大学Qiu团队基于矢量索末菲-瑞利衍射理论并结合粒子群优化算法，从理论上设计了一种二元振幅型同心金属圆环阵列结构，对波长为633nm的径向偏振光实现了极强的纵向偏振聚焦光场，焦斑半高宽为0.39λ。2014年，重庆大学陈等人基于准连续振幅调控和二值相位调控的理论设计，构建出宽视场的超振荡透镜，理论上获得的超振荡光斑尺寸为0.31λ。

然而，以上所使用的超振荡元器件，其结构非常复杂，一般需要在微米尺寸大小的金属薄膜上刻蚀成千上万且尺寸为纳米级别的结构单元，设计过程中，往往需要依赖于优化算法，得出最佳的超振荡结构参数，且所设计的结构缺乏对超振荡聚焦光斑的物理解释。此外，从已有的研究结果可以看出，目前实现的超衍射聚焦光斑尺寸难以突破0.3λ，急需发明更简单的方法用于产生更小的超振荡聚焦光斑。

有鉴于此，行业内急需研发一种结构简单且能产生尺寸更小的超振荡光针的系统或方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于锐边衍射产生超振荡光针的系统，包括：光源，用于产生单色激光；透镜，用于对激光进行聚焦，在焦深区域形成准直平面光波；锐边衍射组件，用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，产生超振荡聚焦光场；物镜组，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光场；相机，用于采集记录经物镜组搜集的超振荡聚焦光场。

优选地，所述锐边衍射组件包括：金属圆盘或者金属圆环，所述金属圆盘、金属圆环的厚度均为百纳米量级，均制作于透明衬底上。

优选地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘为在玻璃基底上镀厚度为60nm，直径为9μm的金属膜制成。

优选地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆环为在玻璃基底上镀厚度为60nm，环内径为6μm，环缝宽为1μm的金属膜制成。

优选地，所述锐边衍射组件，还用于吸收准直平面光波的中心部分，由于锐边衍射，激发出高阶衍射波场，高阶衍射波场在远场进行有规则的相干叠加形成超振荡聚焦光场。

优选地，所述物镜组包括：依次设置的物镜和套筒透镜；所述物镜，用于搜集并放大通过锐边衍射组件产生的超振荡聚焦光斑；所述套筒透镜，用于将搜集的聚焦光斑矫正并成像。