专利名称：半球型多层膜结构纳米透镜的制作方法
技术领域：
本发明应用在纳米及生物成像、纳米光刻技术及其它纳米光学领域中，特别涉及 一种能够突破衍射极限实现远场成像的半球型多层膜结构纳米透镜。
背景技术：
透镜作为成像的一个基本工具，其使用历史已经超过几百年，传统的光学透镜使 物体发射出的光偏折并投影成像。然而，物体除了发出普通光线外，也会发出携带大量信息 的倏逝波，但这种波随距离增加而呈指数衰减，无法抵达像平面，即为衍射极限。受衍射极 限的影响，即便是所有几何像差为零的“完美”成像透镜仍然存在图形失真，其成像分辨率 不能超过透镜的半个工作波长，这一现象可以用傅立叶分析理论解释为携带物体信息的 入射光波的傅立叶分量中，较大的横向分量对应着高频成分，代表着物体的细节部分；但含
高频横向分量的光波因满足(kx、ky*波矢量k在χ和y方向分量，ω为入射
C
光角频率、C为光束，传播方向为Z轴)而成为倏逝波，倏逝波在传播过程中因指数衰减而 无法到达相面，不能参与成像，造成物体细节部分的丢失，因而普通透镜的成像总是有缺陷 的。近场探测可以在场的衍射效应表现出来之前获得场分布，特别是携带亚波长结构 高频信息的倏逝场，这要求将探测器放在距物体小于λ/10(λ为入射光波长)的位置上。 由于样品和探测器的距离非常小，目前还没有一种成像系统可用于如此小的距离，所以只 能使用点状探测器。然而，点状探测器只能局域地接受光，将光转换成电流或发射到自由空 间，或通过锥形光纤的尖端等光导器件将信号传输到光电管或光电倍增管。由于这一类点 状探测器的原理是利用局域探测，探测器必须沿着物体表面扫描来得到图像结构，所以这 类探测器的缺陷是不能同时得到被探测物体的整体形貌。而对于一些高端应用，比如纳米 生物成像、探测生物精细结构、纳米光刻技术、高密度光存贮等其它纳米光学领域中，常常 需要有亚波长(纳米量级)的分辨本领，这时普通透镜的应用将在一定程度上受到限制。基于超材料结构的超级透镜为解决这一难题，提供了一种全新的思路。2000年，伦 敦皇家学院的著名科学家J. B. Pendry提出拥有负折射率(折射光线落到与常规材料相比 的法线的另外一侧)的材料可以捕获到物体的细节信息，并能将其重新聚焦。这一新颖的 发现突破了衍射极限，引起了国际社会的热烈响应和广泛讨论，并将在生物医学的精细实 时成像、高密度电子电路板印刷技术、高速光纤通讯等领域弓I发一场技术革命。
发明内容
技术问题本发明提出一种半球型多层膜结构纳米透镜，采用多层不同材料半球 型膜曲面复合纳米结构，能够突破衍射极限，实现远场成像。技术方案本发明的半球型多层膜结构纳米透镜，从结构上看，该透镜包括光源、 遮光层、透光圆孔、半球型透镜；其中，在遮光层的中间设置一个透光圆孔，半球型透镜位于遮光层的下面，遮光层覆盖在半球型透镜上，光源位于透光圆孔的上方。半球型透镜由半球壳型电介质层与半球壳型金属层交替重复设置构成。待测样品紧贴半球型透镜的最内层上表面。光源的波段为紫外到红外波段。本发明的半球型多层膜结构纳米透镜中，待测物体作为点源在全方向上都有辐 射，其辐射光束在入射到半球型多层膜结构纳米透镜内壁时会发生负折射，并且将在透镜 内沿径向传播，使得在普通透镜中无法传播的携带有精细结构信息的高频分量可以在本发 明的曲面复合结构的半球型多层膜结构纳米透镜内传播，并在远场实现放大成像。有益效果本发明与现有的技术相比具有以下的优点1、本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜与传统的光学透镜相比能够恢复 近场范围中的高频信息，实现亚波长成像，突破了衍射极限。2、本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜，可以实现远场成像，因而可以避 免近场探测所造成的误差；同时，对于远场所成的像，我们仅需要通过普通光学设备便可探 测，因此更便于实际操作和应用。3、本发明的半球型多层膜结构纳米透镜与传统的局域探测器件想比较，即不需要 精密的控制系统，也不需要昂贵且需要经常更换的光纤探头，操作简单，价格便宜，并且可 以同时探测被测物体整体形貌，有更广泛的应用领域，尤其是生物纳米实时成像等领域。
图1是半球型多层膜结构纳米透镜整体结构示意图。图2是半球型多层膜结构纳米透镜横截面示意图。图3是模拟结构中采用的半球型多层膜结构纳米透镜横截面示意图。图4是半球型多层膜结构纳米透镜点源入射端电场分布曲线图。图5是半球型多层膜结构纳米透镜模拟结构中距离出射端60纳米处的电场分布 曲线图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜，从结构上看，该透镜由光源1、遮光 层2、透光圆孔3、半球型透镜4构成；其位置关系为遮光层2覆盖在半球型透镜4上。本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜能够突破衍射极限，实现远场放大， 我们通过数字模拟来证明。我们采用工作波长为365纳米的紫外激光器，电介质三氧化二 铝的介电常数为ε d = 3. 217，由于金属银是色散介质，根据金属银的drude色散模型<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，ω为入射光角频率，金属内部等离子共振频率，为金属内部振荡 频率。我们得出，在工作波长为365纳米的紫外激光器的照射下，金属银的介电常数为εω =-2. 4012+0. 2488i。由于存在衍射极限，对于传统的光学显微镜，其最小分辨率约为入/ NA = 260纳米(NA为光学显微镜的数值孔径，NA = 1. 4)。为了使模拟方便起见，我们在本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜内第一层电介质三氧化二铝层上覆盖一层半球壳型金属层，材料为金属铬，厚度为30纳米，其结构如图3所示，同时，在半球壳型金属铬层 上设置两个半径40纳米的圆形通光孔径来代替两个被探测的物体，两个圆形通光孔径的 间距为150纳米，即0. 41倍工作波长，其间距值小于衍射极限值的大小，因此，不能被常规 光学显微镜所探测。 本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜，在工作波长为365纳米的紫外激光器的照射下，光束通过透光圆孔在内壁照射待测样品，使得在普通透镜中无法传播的携带 有精细结构信息的高频分量可以在本发明的曲面复合结构的半球型多层膜结构纳米透镜 内传播，并在远场实现放大成像。图4所示为半球型多层膜结构纳米透镜入射端电场的强 度分布，图5所示为半球型多层膜结构纳米透镜模拟结构距离出射端60纳米处的电场分布 曲线图。从图5中，我们可以看出，利用本发明设计的半球型多层膜结构纳米透镜，在出射 端，样品的间距被放大，其值约为700纳米，大于瑞利分辨极限，因此，可以使用传统光学结 构进行分辨，并且出射的光束可以由普通的凸透镜聚焦，使其清晰成像。
权利要求
一种半球型多层膜结构纳米透镜，其特征在于该透镜包括光源(1)、遮光层(2)、透光圆孔(3)、半球型透镜(4)；其中，在遮光层(2)的中间设置一个透光圆孔(3)，半球型透镜(4)位于遮光层(2)的下面，遮光层(2)覆盖在半球型透镜(4)上，光源(1)位于透光圆孔(3)的上方。
2.根据权利要求1所述的半球型多层膜结构纳米透镜，其特征在于半球型透镜(4)由 半球壳型电介质层(41)与半球壳型金属层(42)交替重复设置构成。
3.根据权利要求1所述的半球型多层膜结构纳米透镜，其特征在于待测样品(5)紧贴 半球型透镜(4)的最内层上表面。
4.根据权利要求1所述的半球型多层膜结构纳米透镜，其特征在于光源(1)的波段为 紫外到红外波段。
全文摘要
本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜包括光源(1)、遮光层(2)、透光圆孔(3)、半球型透镜(4)；其中，在遮光层(2)的中间设置一个透光圆孔(3)，半球型透镜(4)位于遮光层(2)的下面，遮光层(2)覆盖在半球型透镜(4)上，光源(1)位于透光圆孔(3)的上方。半球型透镜(4)由半球壳型电介质层(41)与半球壳型金属层(42)交替重复设置构成，待测样品(5)紧贴半球型透镜(4)的最内层上表面。光源(1)的波段为紫外到红外波段。本发明应用在纳米及生物成像、纳米光刻技术及其它纳米光学领域，提出一种远场成像透镜，采用多层不同材料半球型膜曲面复合结构，能够突破衍射极限，探测被测物体的整体形貌，最终实现远场成像。
文档编号G02B3/00GK101799566SQ201010145048
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者吴东岷, 张彤, 薛晓军, 陈秋月 申请人:东南大学