超振荡平面透镜实现聚焦光斑的‘定制’


 

封面文章| 《光学学报》第20期封面故事：何韬;刘涛;刘康;李国卿;王佳怡;田博;杨树明; 制造误差对大尺度超振荡平面透镜聚焦性能的影响[J]. 光学学报, 2020, 40(20): 2005001.

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1、引言

球面透镜的使用已有数百年历史，至今依然是各种光学系统的基本组成单元，其对光的聚焦是借助光的折射效应和面形的连续改变而实现的。

为获得高质量的微小光斑聚焦，一般需要通过两片或数片球面折射透镜的精心设计及组合实现，但缺点是结构复杂、笨重、装调难度大、成本高。尽管如此，要实现聚焦光斑的尺度接近或小于衍射极限（ ）或瑞利判据（ ）仍是十分困难的，一般借助于光瞳滤波在像差精细校正的显微物镜系统中实现，但也仅能有限压缩。

2、超振荡平面透镜

超振荡平面透镜（Superoscillatory Lens，SOL）是一种平面透镜，由一系列同心圆环微结构组成，与普通光学透镜不同，超振荡平面透镜是一种新的衍射光学元件，通过光的衍射、精细干涉叠加实现光的聚焦，具有结构轻巧、成本低廉、设计灵活等突出优点，特别在超分辨光斑聚焦方面显示出良好的性能。

西安交通大学机械学院精密工程研究所刘涛副教授研究组从2012年以来持续深入研究了超振荡平面透镜的优化设计、微纳制造和成像应用，提出的矢量优化设计方法被国内外学者广泛采用，最早探讨了相位型超振荡平面透镜的设计及应用，最新又发展提出了自由环宽、可变相位刻蚀深度的更通用、效率更高的优化设计方法。

超振荡平面透镜实现聚焦光斑的‘定制’是依赖强大的优化算法实现的，具体采用了改进的遗传算法及快速汉克尔变换算法，在近场至远场任意范围及距离，容易实现具有显著超分辨聚焦特性的单焦点、多焦点、光针、光管等的特殊光斑的‘定制’。图1所示是超振荡平面透镜光的衍射聚焦示意图。

图1 超振荡平面透镜光的衍射聚焦.

采用了自主开发的大尺度优化设计方法，基于严格的矢量角谱理论和时域有限差分法深入研究了多种典型制造误差对大尺度超振荡平面透镜聚焦性能的影响，将多种典型制造误差分为横向和纵向制造误差加以定量研究，如图2所示。

图2 超振荡平面透镜制造误差示意图：(a) 横向；(b) 纵向

本文研究指出，±150nm范围内的位置偏差和宽度偏差是大尺度超振荡平面透镜各环带的最大制造允许公差，从而可以用高精度的紫外光刻技术进行大规模、低成本批量加工，并进行实际工程应用。

相位型超振荡平面透镜具有高聚焦效率的显著优势，因此具有更好的应用前景，纵向刻蚀深度偏差基本不改变聚焦光斑的形态分布，而主要影响聚焦光斑的强度，π相位差对应的聚焦光斑强度最大，当刻蚀深度偏差引入的相位调制偏离π时，聚焦光斑强度逐渐下降，与三维时域有限差分法电磁仿真结果一致，为使相位型SOL聚焦光斑保持较高强度，应使介质层刻蚀深度对应的相位调制量保持在 的范围内。

该研究基于自主设计、加工制备的超振荡平面透镜研制集成了新型超分辨光学显微镜，如图3所示，完成了光机系统方案设计、机械加工装配、测控软件编写、实验验证、原理样机研制及测试（如图4所示）。

图3基于超振荡平面透镜自主研制的新型超分辨光学显微镜实物图

图4 SOL实物图和局部放大图

3、展望

未来该课题组将继续深入开展大尺度超振荡平面透镜的工程应用，特别在超分辨纳米光学成像、纳米精密测量、微纳光刻直写、粒子操纵、高密度光存储等领域。

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延伸阅读：

[1] 王腾;杨树明;李述胜;等. 振镜激光扫描测量系统误差分析与补偿[J]. 光学学报, 2020, 40(23): 2315001.

[2] 巴钟灵, 王 雄. 具有梯度相位的高效宽带毫米波超表面结构[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(18):181601.