光学超分辨平面超构透镜研究进展

从光学自身机理上突破光学理论分辨率极限,实现远场超分辨光学点扩散函数,进而实现超分辨聚焦和超分辨成像,在激光加工、超分辨光学显微和超分辨望远等系统有着重要应用前景.近年来,光学超构表面的发展使得在亚波长尺度上实现光场振幅、相位及偏振的独立调控成为可能,为研制新型的超分辨平面超构透镜提供了更加灵活的手段.本文介绍了基于光学超构表面的超分辨平面超构透镜、相关测试技术方面几年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

基于氧化钒的动态超表面（英文）

动态调控是现代光学器件中必不可少的特性,在激光雷达系统、显示器件以及数码相机等设备中具有重要意义.与传统的体光学器件相比,动态超表面为实现小型化和集成化智能光学系统提供了一个极具吸引力的解决方案.相变材料具有高的折射率对比度和易于操控的特性,是设计动态超表面的理想材料.本文通过操控氧化钒的相变,在近红外区域设计实现了可调谐的超构透镜和可切换图像编码的超表面器件.通过控制氧化钒的相变,能够改变超透镜的聚焦强度,实现强度对比约为12倍的开关聚焦效果.此外,利用氧化钒的相变还设计实现了任意两个不同数字图案的可切换成像.本工作为实现动态成像和光学加密系统的可调谐超表面奠定了基础.     

具有高空间分辨力的位相型光瞳滤波式差动共焦测量法

提出一种新的改善光触针类测量传感器空间分辨力的位相型差动共焦测量方法.该方法通过具有横向超分辨能力的位相型光瞳滤波器最大程度地改善共焦测量系统的横向分辨力,通过差动共焦测量法改善共焦测量系统的轴向分辨力,最终提高共焦测量系统空间分辨能力.理论分析和实验表明,当入射激光束波长λ=632.8 nm、测量物镜数值孔径NA=0.85、uM=4时,该方法的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2 nm.该方法可用于表面微观轮廓及微小尺度的超精密测量.     

集成光学非球面消球差双凸波导透镜的研制

针对微透镜制作采用的球透镜研磨,多组分玻璃基板离子交换,结晶化玻璃基板光热法,本文提出非球匠消球差双凸波导透镜设计、制备及参数测试方法.该方法根据集成光学原理,研制了一种非球面消球差双凸波哥透镜.该透镜数值孔径大,放大倍数高,接近衍射极限,采用光刻、复制工艺,结构简单,一致性好.实验结幂表明,NA=0.35,β=6.932,光强分布与理论值一致,达到设计要求.     

超振荡望远成像系统中球差影响分析

在超振荡望远系统中,球差是影响其分辨本领的重要因素,其原因在于球差导致强度点扩散函数视场内产生高旁瓣,降低该系统的分辨力。本文分析了超振荡望远系统中球差对成像的影响,并确定了该系统对初级球差的容许范围。基于光学超振荡原理,利用线性规划的优化方法,设计超振荡望远系统,在532 nm工作波长下能够实现0.68倍瑞利判据的分辨力。构建针对超振荡望远系统球差的定量分析数学模型,该系统在均方根(root mean square,RMS)不超过0.041倍波长的初级球差干扰下,能分辨三缝目标物,同时分析了窄带工作波长对于该球差系统带来的成像影响。本文在光学测量、环境监视、超分辨望远等领域具有潜在的应用前景。     

用于纳米光刻的超分辨缩小成像平板超透镜研究

本文提出和研究了利用超分辨缩小成像平板超透镜,在i线光源波长下实现纳米尺度光刻方法.为了在超 分辨透镜像面位置获得高质量的光刻图形,采用超分辨透镜-光刻胶-反射银膜的结构方式,解决由于超透镜磁场偏振传输模式带来的成像光场畸变问题,大大提高了成像质量和光场对比度.采用掩模图形结构预补偿的方法,消除超分辨透镜的倍率畸变像差...     

基于高阻硅超表面结构的太赫兹聚焦透镜设计

本文利用亚波长硅圆柱组成的超表面设计了用于太赫兹探测器的聚焦透镜,通过改变硅柱的直径,实现对太赫兹波传输相位0～2π的调控。在1 THz频率下,所设计的单面超表面透镜,太赫兹波电场能量密度提升到入射平面波的32倍。基于工艺制备可行性和抗反射考虑,提出了一种双面超表面透镜,将电场能量密度提升到入射平面波的44倍。对比于传统超半球太赫兹硅透镜,超表面透镜具有厚度薄,体积小的优点,有利于太赫兹探测器组件的小型化,为实现与太赫兹探测器的集成提供了可能性。     

超材料隐身技术研究进展

目的 探究超材料隐身技术的应用背景,回顾超材料隐身技术的最新研究进展,并对超材料隐身技术的发展趋势进行展望。方法 从基本工作原理出发,介绍几种主流的超材料隐身技术的实现方法,包括变换光学隐身技术、等离激元隐身技术、覆罩式隐身技术、基于微波网络理论的隐身技术以及相位调制型超构表面隐身技术等。结果 超材料技术的发展为隐身衣的设计提供了新的思路,并加速了隐身器件的小型化、集成化、数字化和智能化发展。结论 概述了超材料隐身技术的研究进展,并对其发展趋势进行了简要展望。     

球面投影光刻物镜的设计

针对人工晶体或隐形眼镜的面形上连续浮雕结构加工的特点,本文介绍了基于空间光调制器(DMD)曲面投影光刻物镜系统的设计方法.根据其成像面为曲面的特点,根据光学设计理论多次利用弯向物方的弯月形负透镜结构进行场曲校正,同时运用光的衍射原理优化设计物镜系统的数值孔径以消除DMD投影过程中的栅格效应. 运用ZEMAX工程光学设计软件对系统进行了模拟、优化,并对优化后的结果进行了分析.对于设计实例利用上述设计原则给出了设计结果,工作波长为g线(峰值波长λ=436nm),像面曲率r=22.5mm,视场φ6mm,数值孔径NA=0.1,分辨力为7.8 μm(64Ip/mm)时的光学调制传函值>0.8,畸变<±0.05%.     

微透镜填充因子快速检测方法

本文提出了一种有效的微透镜阵列填充因子快速检测方法.文章从光的标量衍射理论出发,分析了连续浮雕微透镜阵列的衍射光斑分布与透镜子口径、透镜矢高之间的关系,推导出了微透镜阵列远场衍射光斑的理论模型,用该模型对不同填充因子的微透镜阵列为例进行计算机模拟分析,并且搭建了实验装置来获得实际的衍射光斑.结果表明,模拟光强分布与实际衍射光斑相当接近,在此基础上给出了微透镜衍射光斑分布与填充因子之间的半定量关系,为微透镜阵列的快速检测提供了一种有效手段.这种方法可以实现微透镜阵列的准确、简单、低成本的填充因子检测,极大地提高了生产效率,满足了实际测试的要求.     

基于柱矢量光调控的纵向超分辨率准球形多焦点阵列

激光多焦点阵列以兼具更高的光场操控自由度和焦斑单元高空间分辨率的特点,被广泛应用在光学诱捕以及飞秒激光微纳制造等领域。然而由于阵列中焦斑的纵向分辨率弱于横向分辨率,在激光加工应用中限制了其对各向同性结构的加工能力。因此,本文提出一种基于柱矢量光调控生成纵向超分辨准球形多焦点阵列的方法。利用对柱矢量光的两组基径向偏振光和角向偏振光分别进行聚焦调控,结合环形衰减调制可形成纵向超分辨焦斑,再将两种偏振光场以适当的振幅比例在焦区叠加,从而合成准球形多焦点阵列。实验结果表明,10×10的多焦点阵列中各焦斑尺寸均一,具有近球形光强分布。其中,阵列中所有焦点的纵向半高全宽的平均值为0.76λ、标准差为0.005λ,横向半高全宽的平均值为0.76λ、标准差为0.019λ。该具有高尺寸均一性的准球形多焦点阵列可为激光微纳加工精准制备微纳器件提供新的途径。     

基于光频双曲超材料的无标记远场超分辨显微成像

超分辨光学显微成像技术具有非接触、无损伤等优点。现有超分辨成像手段大多依赖荧光染料,限制其应用场合。近年来基于频谱平移原理的无标记远场显微成像手段被提出,但其分辨率受限于波导材料折射率。利用双曲超材料(hyperbolic metamaterials,HMM)的空间频率带通滤波特性,结合亚波长光栅,激发大面积均匀高频体等离激元(bulk plasmon polariton,BPP)照明场,得益于照明的高波矢量,物体的高频信息可以转移到传统成像系统的通带,为远场图像提供亚波长空间信息。基于该方法,采用0.85数值孔径标准物镜,532 nm波长下2.66k₀横向波矢的BPP照明中心距为100 nm双缝结构成像,横向分辨力提高至λ/5.32。进一步提高BPP的横向波矢可使分辨力提升至λ/7.82。该方法无需标记,便于与传统显微镜集成,为生物医学、芯片工业、材料科学等领域的应用提供了一种可视化的超分辨手段。     

大口径多孔透镜离轴成像研究

设计并采用微细加工技术制作了直径D=50mm,特征尺寸为10μm的大口径多孔透镜(photon sieve).在一定的视场下采用数值计算和实验方法分析了其聚焦特性和MTF曲线,为克服多孔透镜一级衍射效率较低,成像质量受背景光干扰的影响,采用了同轴和离轴成像实验.实验结果与聚焦特性一致,两种实验方法得出的不同实验结果表明:离轴成像系统效果克服了同轴成像受0级背景光的影响,改善了像质,为很多一级衍射效率较低的衍射透镜成像提供一种新的成像方式.     

浸没于液体中钛酸钡微球(n>2)的纳米成像

由于光学衍射极限的存在,传统的光学显微镜不能分辨特征尺寸小于衍射极限的微小特征,使用范围受限,许多研究工作者在如何打破衍射极限,提高光学显微镜效率方面做了大量的研究。其中,利用光学玻璃微球可以辅助传统光学显微镜分辨小于光学衍射极限的微小特征。本研究将高折射率(n～2.2)BaTiO₃玻璃(BTG)微球浸没在不同折射率的液体中用来辅助传统光学显微镜,以实现纳米成像。在波长为405 nm的入射光照射下,可以很清晰地观察到蓝光光盘样品100 nm宽的纳米特征尺寸;通过调整玻璃微球与周围介质折射率对比度可以优化纳米成像的质量,将BTG微球浸没于折射率为1.46的液体中,得到的虚像质量最好。这种高折射率微球的纳米成像技术在纳米光子学、生物医学和流体领域有着广泛的应用前景。     

微结构金属膜环带片电磁聚焦优化设计方法

微结构金属膜环带片是一类新颖的微纳光子学元件,应用于超分辨光学聚焦、纳米显微成像、精密工程测量等。阐述了微结构金属膜环带片的通用、快速矢量优化设计方法,适用于线偏振光、圆偏振光、径向偏振光等典型矢量光束,可调制产生远场超分辨聚焦光斑和超细光针场。基于三维时域有限差分法进行了微结构金属膜环带片的严格电磁理论验证,能够精确模拟光场在微结构金属膜环带沟槽内部的散射传播过程。在深紫外至可见光波段,给出了λ/10～λ/6厚金属铝膜制备微结构环带片的经验选取方法。     

水下声学超材料研究

声学超材料在空气中应用的研究已经很多,通过对其声学负参数的研究可以实现负折射、 声隐身、 波束控制以及超分辨成像等功能.声学超材料在空气中的良好应用也让更多的研究者们聚焦水下声学超材料(简称水声超材料)声聚焦、声透射等的研究,其在水下的研究涉及到流固耦合以及模式转换的影响,会更加复杂.水下研究的主要难题有尺度大、低频性...     

空间引力波探测系统中超光滑光学元件表面散射特性分析

在引力波探测系统中,超光滑光学元件表面散射特性对高精度引力波测量至关重要。本文针对超光滑光学元件,建立了一种能快速准确地分析和预测其表面散射特性的非傍轴标量散射模型Generalized Beckmann-Kirchhoff (GBK)。在此基础上,研究了入射角度、散射方位角对P偏振和S偏振入射光的角分辨散射分布的影响,以及入射角度、散射方位角、自相关长度、斜率、截止频率以及表面粗糙度等因素对不同表面统计分布特征下的角分辨散射分布的影响。研究结果可为引力波探测系统中超光滑光学元件的加工、系统杂散光的产生及抑制等提供参考。     

单向纤维复合材料声学超表面

声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构,对于空间受限的应用领域具有重要价值,目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面,采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制,实现了声波的定向反射调控。借助复合材料细观力学方法,采用均匀化理论和优化方法设计周期复合材料单胞的组分,使单胞具有特定的等效力学性能与声学性能,并满足特性阻抗匹配,从而形成超表面所需的声速梯度分布。通过能带分析获得了单胞纵波波速与频率的关系,显示出复合材料超表面的宽频特性。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性,并验证了对于垂直入射声波纵波是影响波控性能的主要因素。研究工作为声学超表面及其他声学波控装置的设计提供了一种新途径。     

圆锥透镜对球面波环形聚焦特性的仿真和实验研究

通过几何光学理论分析,将圆锥透镜对于不同曲率半径球面波的衍射模式分为球面波通过锥镜后光束完全会聚和部分会聚两种情况.使用半径为15 mm,底角为1°的圆锥透镜进行实验,在这两种情况下,按一定规律分别改变球面波的曲率半径,得到衍射图样和中心光斑直径、焦深等参数.通过对实验结果进行定量分析,并利用几何光学理论推导球面波在圆锥透镜后的环形聚焦特性,将实验结果与理论分析和计算机仿真结果相比较,说明光束部分会聚时,在理论上焦深可以达到无穷远.与相同条件下平面波入射的相应特性比较,对于要求长焦深的应用场合,球面波比平面波更加适合.     

柱面型声透镜设计及验证

介绍了声透镜波束形成的基本原理和分析方法,分析了柱面型声透镜的设计方法。用ZEMAX光学软件设计并用ABS塑料制作了一个组合声透镜,在水池中完成其多个参数的测量。在频率500kHz和20°的视场范围内该声透镜的角度分辨率为l°。实验结果表明,该声透镜系统的波束宽度、旁瓣高度和视场范围均达到了设计要求．并很好的验证了柱面型声透镜的聚焦性能。