散射介质超衍射极限技术研究进展

综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义,以及已有超衍射极限成像技术的发展现状;然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义;其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用,介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法,总结了散射介质加入到光学系统中的作用,分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点;讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法;最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。

激光超衍射加工机理与研究进展

随着纳米科技和微纳电子器件的发展,制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术,具有巨大的发展潜力,己广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造,研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况,包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等;然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术,包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展;最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.

超衍射分辨率的微光学器件

本文综合了菲涅耳透镜在焦面处能量集中和圆锥透镜在传播范围内无扩散的特点，设计了一种新型的超衍射分辨率的微光学器件，实现了在沿光轴方向约１ｍｍ范围内光斑直径（４０μｍ）基本保持不变的性能，采用二元光学原理设计成８位相的微光学器件并用微电子工艺研制加工。本文推导了设计该器件结构参数的公式，对器件的性能作了计算机模拟计算和实验测试，得到二者相一致的结果。

光子扫描隧道显微镜的超衍射分辨的光子理论假说

光子扫描隧道显微镜（ＰｈｏｔｏｎＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，简称ＰＳＴＭ）的发明是在近场光学理论、全内反射理论、光纤技术、高灵敏度光电探测技术和计算机等获得重大进展的基础之上取得的，最近的研究结果表明其ＰＳＴＭ已实现１～３ｎｍ的超衍射极限的分辨率，如何解释ＰＳＴＭ能够获得如此高的超衍射极限分辨率？ＰＳＴＭ能获得的超衍射极限分辨率会是多少？本文提出一种关于ＰＳＴＭ的光子理论假说，这个假说是基于下面两个基本定律：１．光子不只是携带能量和光学信息的载体，也是具有一定空间尺寸的基本粒子２．当光子发生反射、折射、散射等时，仅改变它所携带的能量和光学信息，它的粒子尺寸并不改变，即ｐｈｏｔｏ＝常数．将上面两个基本定律应用于ＰＳＴＭ时，所谓“消逝场（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｆｉｅｌｄ）”实际上乃是弱光子分布场，探测光纤尖端尺寸实际上相当于一个“门”，它控制着进入光纤的光子数量，通过一些计算，可获得如下几个结论：１．在ＰＳＴＭ的探测系统足够灵敏的条件下，探测光纤尖端的直径Ｄ和近场探测间距Ｚ是决定ＰＳＴＭ超级射分辨率的两个最重要的因索．２．ＰＳＴＭ分辨极限将产生在Ｄ＝ｐｈｏｔｏｎ和Ｚ＝ｐｈｏｔｏｎ．３Ｐ?

超衍射相位板设计

对超衍射理论进行了研究和分析,通过利用优化算法设计了对应于横向、纵向,特别是三维超衍射的3种二元相位元件;模拟结果表明在飞秒激光微加工系统中,考虑双光子效应,这种相位元件的超衍射性能尤为理想.讨论了光源的光谱范围对相位元件超衍射效果的影响,结果表明当光谱较窄时,超衍射性能几乎与使用单波长光源时一样.所设计的超衍射相位元件可以应用于飞秒激光加工系统.

基于偏振光相位调制的超衍射极限空间结构光研究

具有超衍射极限尺寸的空间结构光在远场超分辨成像、光镊、微纳米加工等领域都有着重要的应用.本文基于偏振光的相位调制原理,结合光学实验与光场数值模拟开展了在空间生成具有超衍射极限尺寸的空间结构光的研究.首先设计了一种兼备圆形π与涡旋形2π相位板特点的新型相位板,并且实验观察到了高数值孔径系统中新型相位板调制圆偏振高斯光的焦点处的空间结构光形貌.随后通过结合矢量衍射积分理论的数值模拟,得出了一种具有超衍射极限尺寸、且同时呈现中心对称与轴对称的空间结构光.最后,本文详细讨论分析了新型相位板调制圆偏振光、线偏振光、径向偏振光以及角向偏振光所获得的空间结构光分布特点.结果显示,圆、线、径向与角向偏振条件下得到的空间结构光横向最小暗斑的半高全宽分别为0.31λ,0.32λ,0.24λ和0.36λ;在光轴上,线、径向与角向偏振光情况下的中心暗斑的半高全宽分别为0.8λ,0.78λ,0.76λ,而圆偏振光在轴向方向没有电矢量分布.

利用波矢滤波超表面实现超衍射成像

超衍射成像是当前光学领域的研究热点.本文利用一种不对称分裂环超表面结构来实现超衍射成像,该结构由上下两个不对称的金属环组成,通过集体陷模共振可实现对入射光的波矢选择性透过.当物体发出或反射的光照射到超表面上时,入射角大于某一角度的入射光会被共振电场耦合吸收或反射,只有低空间频率的光波可以通过,从而减小衍射的影响,实现超衍射成像.数值模拟结果表明了这一方法的可行性.

纳米小球辅助飞秒激光近场超衍射加工的研究进展

在飞秒激光加工过程中,如何突破衍射极限一直都是一个重要问题。近年来,纳米小球辅助飞秒激光近场超衍射加工逐渐被认识并发展起来,这一加工方法可以在基底表面产生小于入射激光衍射极限尺度的纳米孔洞,并可以实现大面积加工。从金属纳米小球和介电纳米小球这两个方面入手,分别对它们辅助飞秒激光近场加工的研究进行介绍。

超临界透镜的超衍射极限光场调控研究进展(特邀)

与传统体材料光学透镜相比,平面衍射透镜具有加工制备容易、体积轻薄、便于集成等显著优势。同时,基于衍射效应的光学聚焦机制也为实现灵活的光场调控提供了便利。近年来,在光学超振荡理论的指引下,基于平面透镜的远场超衍射极限光场调控及其应用得到人们的广泛关注。超临界透镜在实现超衍射极限聚焦的同时能有效控制聚焦旁瓣和焦深,成为平面超衍射透镜的重要研究方向之一。本文总结了平面超临界透镜近年来的研究进展,简要概述了超临界透镜的原理和设计方法,对构建超临界透镜的几种光场调控类型及其应用进行了介绍,最后对该领域的未来发展作了展望。

具有超衍射和多受体的新型纳秒激光直写研究进展(特邀)

激光直写(LDW)是一种无掩模、高效且经济的微纳米加工手段,它广泛应用于微机电系统、光刻掩模版制作和微纳米加工等领域。随着纳米技术的迅猛发展,研究人员对LDW系统的多受体和高加工分辨率的需求日益增加。为了满足上述需求和探索新的微纳米加工技术,开发新型激光直写系统已成为必然。新型纳秒LDW系统是在激光与物质的非线性相互作用的原理下工作的,不仅突破了传统LDW只能使用有机光刻胶作为受体材料的限制,同时实现了超越衍射极限的加工。已经取得的进展表明了新型纳秒激光直写在多种材料刻写及纳米结构加工方面的优势和巨大发展潜力。本文将从原理、设备、技术方法与新应用等方面对新型纳秒激光直写进行评述和讨论。

基于近场光学超衍射分辨力的高密度光存储

本文从近场光学的基本理论出发 ,在介绍近场光学超衍射分辨存储原理的基础上 ,对探针扫描显微术、超分辨力近场结构两种主要方案的实现方法和研究状况作了详细的阐述 。

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板,不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩,同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中,使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾,而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成

空心光束的质量是超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中决定成像质量的一个至关重要的因素.本文基于菲涅耳衍射理论,分析了螺旋相位片法产生空心光束的物理机理,并且模拟了不同的入射条件对产生的空心光束的影响.模拟结果表明:波长与相位片中心波长匹配且光强呈圆对称分布的高斯光垂直入射到相位片上,当高斯光束中心与相位片中心完全对准时,可获得较理想的空心光束;入射光光强分布的圆对称性以及入射光中心与相位片中心的对准程度都会影响产生的空心光束的强度分布;同时,高斯光束小角度倾斜入射时,空心光的强度分布仍呈圆对称,却在观察面发生一定的位移;此外,入射光中心波长偏离相位片中心波长不大时,对产生的空心光束的强度分布几乎没有影响.上述分析结果对用于超衍射相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中理想空心光束的获取具有重要的指导意义.

利用球差透镜获得超衍射极限聚焦

从ＨｕｙｇｅｎｓＦｒｅｓｎｅｌ衍射积分公式出发，得到了高斯光束经过球差透镜聚焦之后聚焦光场的光强分布的表示式。数值计算结果表明，当透镜存在负球差时，可获得超衍射极限聚焦，即得到的聚焦光斑比高斯光束经过无球差透镜聚焦而得到的聚焦光斑还小。并且，透镜的负球差系数越大，得到的聚焦光斑越小。相反，当高斯光束经过正球差透镜聚焦，得到的聚焦光斑比无球差时大。透镜的球差系数愈大，得到的聚焦光斑愈大。讨论了透镜的球差对轴上光强最大点（最佳聚焦点）的影响。

光学超衍射极限的新理论研究

光学超衍射极限的新理论研究杨国光（浙江大学，杭州３１００２７）项目批准号：６９０８８００５本项目采用新概念，新理论，新方法对光学衍射极限进行了研究，提出三种ＳＲＯ（超分辨光学）的新原理：光学合成孔径理论；频域成像理论；以及空间拟合函数超像元理论；并提...

红外折射/衍射超常温光学系统

设计了折射 /衍射混合减热差红外光学系统 ,仅使用硅和锗两种材料 设计结果表明 ,此系统具有良好的减热差和校色差作用 ,在 - 80～ 2 0 0℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量 ,而且结构简单 ,体积小 。

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台,对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究.使用中心波长和脉宽分别为800nm和130fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台,研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况,采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征.通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率,发现分辨率随着激光功率的减小而提高,随扫描速度的增大而提高,且能突破光学衍射极限.最终获得125nm的加工线宽,并加工了加工线宽240nm,周期1.0μm的线阵列.研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路,对发展MEMS器件具有重要意义.

激光超衍射光刻原理与技术

现有主流光刻技术与设备变得越来越复杂的原因之一在于其仍然囿于线性光学光刻范畴,未能突破光学衍射极限,是衍射极限附近的光刻技术。采用紫外、可见或近红外等长波长光源进行纳米光刻,必须突破光学衍射极限,实现超衍射光刻,研究和发展激光超衍射纳米光刻技术具有十分重要的科学意义和应用价值。本文从光学衍射极限的基本概念出发,系统阐述各类超衍射光刻原理与方法,重点回顾激光远场超衍射光刻相关研究成果与最新进展,并对其现存的问题和发展方向进行评述。

自支撑超快电子衍射薄膜制备方法的研究

具有自支撑能力的、具备晶格结构的超薄薄膜制作技术对超快电子衍射实验至关重要,薄膜的质量直接影响到后续实验的开展。文章重点介绍了超快电子衍射系统对薄膜样品的特殊要求,以及利用磁控溅射方法制作22.9nm薄膜的工艺过程。

超快X射线衍射

本文简单介绍了X射线静态衍射的基本原理 ,详细论述了超快X射线衍射探测原子动态过程的理论基础。同时介绍了三种X射线脉冲光源的产生及其实验研究的进展状况 。