专利名称：一种基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光存储技术领域，尤其涉及一种基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置。
背景技术：
在光存储领域，需要一块大数值孔径的聚焦镜将准直后的激光束聚焦成一个足 够小的光点，以实现信息的记录和读取。显然，聚焦光点越小，同一盘面能够记录和读取 的信息越多，从而光盘存储的容量也就越大。聚焦光点的最小尺寸ΔΧ由能够到达聚焦 面的最大横向波矢kxmax决定，即满足AxAk 2π，其中Ak为波矢带宽，Ak = 2kxmax。 在自由传播空间中，来自聚焦镜的传输波能够到达焦面的最大横向波矢为kpin θ (k0 = 2^/λ0, θ为聚焦镜孔径角)，因此理想情况下能够实现的最小聚焦光点为Axmin = 2π/ (2k0sin θ ) = Xci7^sine,其中Xci为真空波长。要实现更小的聚焦光点，一种可行的方法 是在焦面附近加一块折射率为的固体浸没透镜，这种方法可以使聚焦光点进一步缩小 到Ac^nsttSine，此即衍射受限系统能够实现的最小光点大小。然而，受材料和激光技术 的限制，利用缩小波长和提高数值孔径的方法来缩小聚焦光点其实可供发掘的潜力已经不 大。事实上，实现超衍射极限聚焦光点的关键问题是，如何让横向波矢超过h的会聚光束 能够以传输波(而不是倏逝波)的形式到达聚焦镜的焦面附近，显然传统光学材料无法满 足这一要求。近年来已经有很多基于贵重金属超分辨率成像的报道，比如基于银板的近场超 透 镜(J. B. Pendry, Negative Refraction Makes a Perfect Lens, Phys. Rev. Lett., 85 (18)，2000 :3966-3969.)、基于银板加亚波长光栅的远场超透镜(Zhaowei Liu, et.al·，“ Far-field Optical Superlens “，Nano Lett.，7，403，2007.)、以及基于环形 结构的双曲透镜(Zubin Jacob, et.al. , "Optical Hyperlens :Far-f ieldimaging beyond the diffraction limit, "Opt. Express, 14 (18), 8247-8256 (2006).)等。但并不是所有超 分辨率成像装置能完全适用于激光聚焦场合，因为涉及到聚焦必然存在光斑压缩问题，比 如前面提到的银板超透镜，仅能实现1 1成像，而基于光栅的远场超透镜只能记录远场光 谱之后再通过数学方法或特殊装置重构物体像，因此都无法应用于超分辨率聚焦。只有可 实现放大和缩小功能的双曲透镜有望为解决这一问题提供了新的思路。双曲透镜的特点在 于，通过金属和电介质交替排布，可等价为具有正的角向介电常数ε θ和负的径向介电常 数、的人工超材料，这种超材料的色散关系因为满足双曲线，因此可以让角向波矢超过kQ 的光波在材料中以传输波形式自由传播，加上其环形结构可实现光斑的放大或缩小，因此 有望实现超衍射极限的聚焦。
发明内容
针对现有技术中存在的聚焦光点的尺寸受衍射受限的技术问题，本发明的目的是通过一种结构简单、设计灵活、高度集成的、基于双曲透镜的聚焦装置来实现激光光束的超 分辨率聚焦。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案聚焦透镜，用于将入射的准直光束转化为会聚波；双曲透镜，用于传递上述会聚波中具有较大角向波矢的光束，最终在聚焦透镜的焦面处形成亚波长量级的聚焦光点。所述聚焦透镜为大数值孔径的物镜，结构上采用单透镜组合或非球面单透镜，并 且透镜为双面镀膜；所述双曲透镜由金属和电介质材料交替排布而成，每层材料的厚度相同、并远小 于光波波长，各层介质构成同心圆环，且球心位置与聚焦透镜的聚焦点重合；所述双曲透镜的外环半径和最内层半圆结构的半径由聚焦装置的工作条件决定， 其中外环半径要满足R2彡λ0/4θ8 ηθ, λ ^为工作波长，θ为聚焦透镜的孔径角，最内层 半圆结构的直径大约等于需要实现的聚焦光点的大小。所述双曲透镜外环材料为电介质，最内层半圆结构的材料为金属。构成所述双曲透镜的金属和电介质在工作波长上，电介质和金属的介电常数的绝 对值大致相等。所述金属为银，电介质为三氧化二铝，所述双曲透镜由10层三氧化二铝和10层银 板组成，每层的厚度均为5nm，最大曲率半径为0. Ιμπι，最小曲率半径为5nm。所述金属为银，电介质为三氧化二铝，所述双曲透镜由5层三氧化二铝和5层银板 组成，每层的厚度均为lOnm，最大曲率半径为0. Ιμπι，最小曲率半径为lOnm。本发明具有以下优点和积极效果1、本发明将双曲透镜放置在聚焦透镜焦面附近，因此可将角向波矢超过Ictl的传输 波传递到聚焦镜的焦面附近，是实现超分辨率聚焦的重要理论和技术方法的突破；2、本发明所涉及的装置仅由普通的聚焦物镜和双曲透镜组成，因此具有结构简 单、可靠性高、易于实现等优点。
图1是本发明基于双曲透镜聚焦装置的结构原理图。图2是本发明涉及的双曲透镜与普通透镜波矢色散曲线的比较图。图3是本发明中实施例1给出的聚焦微透镜的调制传递函数图。图4是本发明中实施例1给出的聚焦微透镜加双曲透镜的聚焦结构图和模拟仿真 得到的Hy场分布。图5是本发明中实施例2给出的聚焦微透镜加双曲透镜的聚焦结构图和模拟仿真 得到的Hy场分布。1-聚焦物镜，2-双曲透镜，Xci-工作波长，θ -聚焦透镜的孔径角，^k-波矢带宽，k0_角向波矢，径向波矢，Iistt-固体浸没透镜折射率，ε 0-等效的角向介电常 数，、-等效的径向介电常数。
具体实施例方式本发明提供的基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，目的是将入射的准直光束聚焦 成超越衍射极限的光点，其设计包括
首先需要设计一个聚焦透镜，聚焦透镜的作用是将入射的准直光束转化为会聚球 面波。聚焦透镜的主要参数包括通光口径D、焦距F和数值孔径NA，设计时要求通光口径D 能包络准直光束，以减小光能量损失。焦距F决定着透镜后表面与焦面的距离，而数值孔 径NA决定着会聚球面波在自由空间能够传递的最大横向波矢为kQ. ΝΑ。聚焦透镜一般是采 用光学软件进行优化设计，采用非球面或者多片单透镜组合结构能使系统像差达到衍射极 限。其次是设计双曲透镜，使会聚球面波的波矢逐级放大，最终实现超分辨率聚焦。双 曲透镜是由很薄的金属和电介质材料交替排布而成，如图1所示。最里层设置为金属材料， 为半圆结构，圆心位于聚焦透镜焦面的轴上点处，然后从里向外交替排布电介质和金属，每 层的圆心均重合，一般要求最外层为电介质材料。电介质材料和金属需根据波长合理选择， 要求其介电常数的绝对值尽可能接近，以满足表面等离子体波激发条件、进而提高系统分 辨率。比如在375 μ m波长上，金属银的介电常数为-3. 12+0. 21i、而三氧化二铝(Al2O3)的 介电常数为3. 21，两者的介电常数绝对值非常接近。从制造上讲，聚焦透镜可采用传统光学加工工艺制造，双曲透镜可采用微电子镀 膜工艺制造。如图1所示，基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置包括两部分，第一部分为聚焦透 镜1，用于将入射的准直光束转化为会聚波；第二部分为双曲透镜2，用于传递会聚波中具 有较大角向波矢的光束，最终在聚焦透镜的焦面处形成亚波长量级的聚焦光点。本发明的关键是采用双曲透镜传递较大波矢的会聚波。双曲透镜的特点如图2(a) 所示，图2描述了角向波矢k0和径向波矢&的色散关系图，双曲透镜是由正的介电常数 (电介质)和负的介电常数(金属)材料密集交替排布而成，其等效的角向介电常数ε e >
0，而等效的径向介电常数、<0。依据色散关系式f + f =、2，角向波矢、和径向波矢
&满足双曲线关系，因此决定聚焦光点大小的角向波矢k0可以取很大、且仍然能维持传输 波形式。作为对比，我们给出了普通透镜的波矢色散图，如图2(b)所示，由于在真空中角向 波矢k0和径向波矢&满足圆形关系，因此传输波的波矢束缚在圆圈之内，传输波的角向波 矢、不能超过Icci，因此无法实现超分辨率聚焦。本发明中聚焦透镜是一个大数值孔径的物镜，针对零视场单色平行光入射设计， 设计时主要矫正轴上点的球差，结构上可以是单透镜组合、非球面单透镜等形式，透镜双面 镀膜以保证高的透过率。本发明中双曲透镜是由金属和电介质材料交替排布而成，每层材料的厚度相同， 各层介质构成同心圆环，且球心位置与聚焦透镜的聚焦点重合。双曲透镜的外环半径和最
内层半圆结构的半径由聚焦装置的工作条件决定，其中外环半径要满足尽R2≥y0/4θsinθ,
为工作波长，θ为聚焦透镜的孔径角。最内层半圆结构的直径大约等于需要实现的聚焦光 点的大小。本发明中双曲透镜的外环的材料为电介质，最内层半圆结构的材料为金属。本发明中双曲透镜由电介质和金属组成，要求两者的介电常数的绝对值大致相等。在使用时，将装置放置于准直光路之中，准直光首先经聚焦镜后转化为会聚球面波，会聚球面波的波面与双曲透镜的各层曲率半径重合，在光束会聚过程中角向波矢不断 增大，从而光点不断缩小，到达聚焦镜焦面时光斑尺寸达到最小值，从而实现超分辨率聚焦。
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明实施例1本实施例为采用单层5nm的双曲透镜对准直光束实施超分辨聚焦的过程。首先利用ZEMAX光学软件设计出一个通光口径为0. 3 μ m，焦距0. 1 μ m，平凸结构 的微透镜，曲率半径为0. 0699 μ m,非球面系数-2. 89，采用光刻胶材料(η 1. 7)。图3给 出了该微透镜的调制传递函数图，从图3中可以看出，微透镜的调制传递函数值和衍射极 限(对应于无像差的理想情况)重合，因此微透镜几乎不引入几何像差，有利于聚焦光点的 缩小。然后在紧贴微透镜顶点处开始交替排布电介质和金属材料，本实施例中金属为 银，电介质为三氧化二铝(Al2O3),双曲镜由10层三氧化二铝(Al2O3)和10层银板组成，每 层的厚度均为5nm，最大曲率半径为0. 1 μ m，最小曲率半径为5nm。采用ComSol3. 5软件模拟分析了本专利提出的微透镜加双曲透镜聚焦装置的聚 焦情况。图4给出了模拟得到的TM模(ρ波)经过混合聚焦装置的Hy分量传输情形。从图 4 (a)可以看出，聚焦光斑几乎都局域在最小曲率半径圆内，说明有较大的横向波矢存在。图 4(b)为传播方向上双曲透镜平面处的Hy分量的横截面分布，可以看出，在微透镜焦面附近， 双曲透镜中的光斑始终局域在最内层双曲透镜半圆结构内(半径为5nm)，因此可实现的聚 焦光点尺寸为lOnm，远远小于衍射受限所决定的光斑尺寸(本实施例中单个微透镜的聚焦 光斑尺寸约为300nm)，实现了超分辨率聚焦。需要说明的是，在光存储应用中，半导体激光器经准直之后的光斑尺寸一般要远 大于模拟中采用的0. 3 μ m(微透镜通光口径)；但可以想象，只要透镜的数值孔径保持不 变，微透镜的口径和焦距可以成比例的放大成为聚焦物镜，以满足实际光斑尺寸需求，而波 矢的传播方式可以保持基本不变，因此本专利描述的聚焦装置仍可应用。实施例2本实施例为采用单层IOnm的双曲透镜对准直光束实施超分辨聚焦的过程。实施例2采用了和实施例1参数一样的聚焦微透镜，主要区别在于双曲透镜每一 层的厚度由5nm改为lOnm。厚度的改变将导致光束传播特性的改变，因此采用ComSol3. 5 软件模拟分析了实施例2的微透镜加双曲透镜聚焦装置的聚焦情况。图5给出了模拟得到 的TM模(ρ波)经过混合聚焦装置的Hy分量传输情形。从图5(a)可以看出，聚焦光斑几 乎都局域在最小曲率半径圆内，说明有较大的横向波矢存在。图5(b)为传播方向上双曲透 镜平面处的Hy分量的横截面分布，可以看出，在微透镜焦面附近，双曲透镜中的光斑始终局 域在最内层双曲透镜半圆结构内(半径为lOnm)，因此可实现的聚焦光点尺寸为20nm，远远 小于衍射受限所决定的光斑尺寸(本实施例中单个微透镜的聚焦光斑尺寸约为300nm)，实 现了超分辨率聚焦。上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权 利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
一种基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，其特征在于，包括聚焦透镜，用于将入射的准直光束转化为会聚波；双曲透镜，用于传递上述会聚波中具有较大角向波矢的光束，最终在聚焦透镜的焦面处形成亚波长量级的聚焦光点。
2.根据权利要求1所述的基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，其特征在于所述聚焦透镜为大数值孔径的物镜，结构上采用单透镜组合或非球面单透镜，并且透 镜为双面镀膜；所述双曲透镜由金属和电介质材料交替排布而成，每层材料的厚度相同、并远小于光 波波长，各层介质构成同心圆环，且球心位置与聚焦透镜的聚焦点重合；所述双曲透镜的外环半径和最内层半圆结构的半径由聚焦装置的工作条件决定，其中 外环半径要满足AtlZ^esine, λ。为工作波长，Θ为聚焦透镜的孔径角，最内层半圆 结构的直径大约等于需要实现的聚焦光点的大小。
3.根据权利要求2所述的基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，其特征在于 所述双曲透镜外环材料为电介质，最内层半圆结构的材料为金属。
4.根据权利要求3所述的基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，其特征在于构成所述双曲透镜的金属和电介质在工作波长上，电介质和金属的介电常数的绝对值 大致相等。
5.根据权利要求2、3、4中任一项所述的基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，其特征在于所述金属为银，电介质为三氧化二铝，所述双曲透镜由10层三氧化二铝和10层银板组 成，每层的厚度均为5nm，最大曲率半径为0. 1 μ m，最小曲率半径为5nm。
6.根据权利要求2、3、4中任一项所述的基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置，其特征在于所述金属为银，电介质为三氧化二铝，所述双曲透镜由5层三氧化二铝和5层银板组 成，每层的厚度均为lOnm，最大曲率半径为0. Ιμπι，最小曲率半径为lOnm。
全文摘要
本发明涉及光存储技术领域，尤其涉及一种基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置。本发明包括聚焦透镜，用于将入射的准直光束转化为会聚波；双曲透镜，用于传递上述会聚波中具有较大角向波矢的光束，最终在聚焦透镜的焦面处形成亚波长量级的聚焦光点。本发明将双曲透镜放置在聚焦透镜焦面附近，因此可将角向波矢超过k0的传输波传递到聚焦镜的焦面附近，是实现超分辨率聚焦的重要理论和技术方法的突破；所涉及的装置仅由普通的聚焦物镜和双曲透镜组成，因此具有结构简单、可靠性高、易于实现等优点。
文档编号G02B7/28GK101840054SQ201010176010
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者何平安, 周辉, 李松, 杨晋陵, 石岩, 郑国兴 申请人:武汉大学