一种消除超振荡光斑旁瓣的系统和方法与流程

本发明涉及超分辨成像技术领域，具体涉及一种消除超振荡光斑旁瓣的系统和方法。

背景技术：

超振荡现象是一种在倏逝波区域之外实现远场超衍射聚焦的现象，其本质为带限函数在局部区域振荡速度超过其最高傅里叶分量。一般来说，超振荡现象是由于光场相干叠加的结果，可以在远场区域实现任意小的聚焦分布，但是，随着超振荡聚焦尺寸减小，超振荡聚焦光斑的能量明显降低，同时伴随着高强度旁瓣的产生，抑制了超分辨视场。

对于超振荡现象的本质认识，是在量子力学的背景下逐渐展开的。1985年，bucklew和saleh设计出一种理想的虚拟成像系统，可以实现任意分辨率的一维图像。1990年，美国aharonov团队发现了量子力学的弱测量，可以得到频谱之外的值，即局部测量的某些参数在特定的范围可能会超出全局测量的范围。2006年，英国berry首次将量子超振荡的概念与光学超分辨联系起来，依据超振荡的相干叠加原理，利用亚波长光栅结构对入射平面光场进行振幅调制，调制后的衍射光场在远场区域可以实现亚波长光学衍射极限聚焦，引出了光学超振荡现象。在光学领域，对于一个频率受限的光场函数，超振荡现象仅仅出现在局部空间，只有少部分的能量聚集在超振荡光斑，大部分能量损失在旁瓣中。berry的研究成果在国际上引起了强烈的反响，许多研究团队在这个问题上展开了深入的研究。例如，2007年，英国南安普顿大学fuminghuang团队利用准晶纳米孔径结构作为超振荡器件，首次在实验上观测到光学超振荡现象，不仅可以用于远场的亚波长聚焦，也可以用于成像器件。2012年，英国e.t.f.rogers团队设计了二元振幅型多环带衍射光学元件作为超振荡聚焦器件，该器件由不同宽度和半径的同心圆环组成，在标量角谱理论的基础下，通过二元粒子群算法优化同心圆之间的尺寸，保证透射光场的精细干涉，得到聚焦光斑。

超振荡光学透镜被证明可以实现亚波长聚焦，并已被用于超分辨成像。然而，这些透镜所产生的亚波长热点总是伴随着相当大的光能侧带，并且在轴向高度局域化，影响超分辨的分辨视场。此外，以上所使用的超振荡元器件，一般需要在微纳米尺寸大小的金属薄膜上刻蚀复杂的结构单元且尺寸为纳米级别，为了得到最佳的超振荡结构参数，往往需要依赖于优化算法。从已有的研究结果可以看出，目前实现的超衍射聚焦光斑尺寸难以突破0.3λ。

综上，行业内急需研发一种结构简单但能产生尺寸更小的超振荡光针、同时能够降低超振荡光斑旁瓣的方案，达到更好的超分辨效果的系统或者方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种消除超振荡光斑旁瓣的系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种消除超振荡光斑旁瓣的系统，包括：依次放置的激光器1、聚焦透镜2、圆瓣结构3、物镜4、镜筒透镜5和成像单元6；所述激光器1，用于产生单色激光；所述聚焦透镜2，用于对激光器1输出的激光进行聚焦，在焦深内产生准平面光束；所述圆瓣结构3，包括对称的圆瓣对，圆瓣对内部形成在y方向有开口的圆瓣小孔，用于对所述准平面光束诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量，高阶频谱分量随着光波的传播，在圆瓣小孔的水平轴方向相干叠加，形成没有旁瓣的超振荡聚焦光针；所述物镜4，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光针；所述镜筒透镜5，用于对所述超振荡聚焦光针的像差作校正；所述成像单元6，用于对校正后的超振荡聚焦光针进行采集成像。

优选地，所述圆瓣对的厚度为百纳米量级；所述圆瓣结构3的材质为金和铬，制作于透明玻璃衬底上。

优选地，所述的成像单元6为电荷耦合器件。

优选地，所述激光器1为氦氖激光器。

优选地，圆瓣结构设置在聚焦透镜2的焦点和物镜的工作距离的交会处。

一种消除超振荡光斑旁瓣的方法，包括：

s1，激光器1输出单色激光，单色激光传播至聚焦透镜2；

s2，所述聚焦透镜2对所述单色激光进行聚焦，在焦深内产生准平面光束，准平面光束传播至圆瓣结构3；

s3，所述圆瓣结构3对所述准平面光束诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量，高阶频谱分量随着光波的传播，在圆瓣小孔的水平轴方向相干叠加，形成没有旁瓣的超振荡聚焦光针；

s4，所述物镜4搜集并放大所述超振荡聚焦光针；镜筒透镜5对所述超振荡聚焦光针的像差作校正；

s5，所述成像单元6对校正后的超振荡聚焦光针进行采集成像。

优选地，在步骤s1之前包括：圆瓣结构的制备；所述圆瓣结构的制备包括：在玻璃衬底上镀上金膜，在所述金膜上绘制圆瓣结构；通过聚焦离子束铣削技术在玻璃衬底上的金膜上刻蚀出圆瓣结构。

优选地，在所述金膜上绘制圆瓣结构包括：在所述金膜上以一个半径为rμm的圆作为基圆y1，将基圆y1分别向左和向右移动xμm得到圆y2、圆y3，将基圆y1右边的圆弧和圆y2右边的圆弧围城的区域作为第一圆瓣，将基圆y1左边的圆弧和圆y3左边的圆弧围城的区域作为第二圆瓣，第一圆瓣和第二圆瓣组成圆瓣对，圆瓣对内部形成在y方向有开口的圆瓣小孔，其中圆瓣小孔的半径为rμm，圆瓣对的瓣宽为xμm。

优选地，基圆y1的半径为5μm，圆瓣对的瓣宽为1μm。

优选地，金膜为80nm，金膜包括10nm的铬和70nm的金。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)本方案依据超振荡原理，把圆瓣小孔锐边衍射波场的高阶频率进行有规则的相干叠加，在远场可产生超振荡光针，可以实现深亚波长(0.15λ)聚焦光斑。与传统的超振荡结构相比，本方案设计的二元结构简单，不需要纳米级别的加工水平，极大地降低器件加工成本和难度，为超振荡远场聚焦及超分辨成像提供了新的方法。

(2)本方案的圆瓣小孔在y方向有开口，诱发的高频分量从y方向的尖端处向基圆中心叠加，y轴开口方向没有高频分量的贡献，使得聚焦光斑的y轴方向几乎没有旁瓣的产生，具有很大的分辨视场，将应用于更加广泛的超分辨成像

附图说明

图1是实施例1的消除超振荡光斑旁瓣的系统的结构示意图。

图2是实施例1的消除超振荡光斑旁瓣的方法的流程示意图。

图3是实施例1的圆瓣结构的平面示意图。

图4是实施例1的消除超振荡光斑旁瓣的方法的流程示意图。

图5(a)是实施例1的圆瓣小孔半径5μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针图。

图5(b)是实施例1的圆瓣小孔半径5μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针传播2μm处超振荡聚焦光斑图。

图5(c)是实施例1的圆瓣小孔半径5μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针的光强分布图。

图6(a)是实施例2的圆瓣小孔半径7μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针图。

图6(b)是实施例2的圆瓣小孔半径7μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针传播3μm处超振荡聚焦光斑图。

图6(c)是实施例2的圆瓣小孔半径7μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针的光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

为了获得更小的聚焦光斑尺寸，同时抑制超振荡光斑的旁瓣，本发明提出一种消除超振荡光斑旁瓣的系统和方法，该方案不仅能产生突破衍射极限的极小光场，同时还有效抑制光场的旁瓣，提高超分辨系统的视场。

实施例1

参见图1和3、一种消除超振荡光斑旁瓣的系统，包括：依次放置的激光器1、聚焦透镜2、圆瓣结构3、物镜4、镜筒透镜5和成像单元6；所述激光器1，用于产生单色激光；所述聚焦透镜2，用于对激光器1输出的激光进行聚焦，在焦深内产生准平面光束；所述圆瓣结构3，包括对称的圆瓣对31，圆瓣对31内部形成在y方向有开口的圆瓣小孔32，用于对所述准平面光束诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量，高阶频谱分量随着光波的传播，在圆瓣小孔32的水平轴方向相干叠加，形成没有旁瓣的超振荡聚焦光针；所述物镜4，用于搜集并放大所述超振荡聚焦光针；所述镜筒透镜5，用于对所述超振荡聚焦光针的像差作校正；所述成像单元6，用于对校正后的超振荡聚焦光针进行采集成像。

在本实施例，所述圆瓣对31的厚度为百纳米量级；所述圆瓣结构3的材质为金和铬，制作于透明玻璃衬底上。一方面，当平面光波入射圆瓣结构时，可以吸收圆瓣小孔内的光场。另一方面在圆瓣的边缘可以产生足够强的锐边衍射效应，诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量，随着光波的传播，高阶频谱分量会向圆瓣小孔32的水平轴方向相干叠加，形成一条超振荡聚焦光针，并且在聚焦光斑的y轴方向几乎没有旁瓣的产生。

在本实施例，所述的成像单元6为电荷耦合器件(ccd)。

在本实施例，所述激光器1为氦氖激光器。所述氦氖激光器输出单色激光。

在本实施例，圆瓣结构设置在聚焦透镜2的焦点和物镜的工作距离的交会处。

参见图2、利用上述消除超振荡光斑旁瓣的系统消除超振荡光斑旁瓣的方法，包括：

s1，激光器1输出单色激光，单色激光传播至聚焦透镜2；

s2，所述聚焦透镜2对所述单色激光进行聚焦，在焦深内产生准平面光束，准平面光束传播至圆瓣结构3；所述的聚焦透镜2是常规球面透镜，由于输出激光的光斑尺寸较大，利用聚焦透镜2可以对单色激光进行聚焦，在焦深内产生准平面光束。在本实施例，聚焦透镜2的焦距为10cm。

s3，所述圆瓣结构3对所述准平面光束诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量，高阶频谱分量随着光波的传播，在圆瓣小孔32的水平轴方向相干叠加，形成没有旁瓣的超振荡聚焦光针；平面光波垂直入射圆瓣结构3，圆瓣的边缘可以产生足够强的锐边衍射效应，诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量。

s4，所述物镜4搜集并放大所述超振荡聚焦光针；镜筒透镜5对所述超振荡聚焦光针的像差作校正；由于聚焦光斑的尺寸较小，用电荷耦合器件不能直接探测到，需要联合使用放大倍数150x、工作距离1.5mm的物镜4和镜筒透镜5将聚焦光斑放大，最后用电荷耦合器件采集并记录放大后的光斑。

s5，所述成像单元6对校正后的超振荡聚焦光针进行采集成像。

在本实施例，在步骤s1之前包括：圆瓣结构的制备；所述圆瓣结构的制备包括：在玻璃衬底上镀上金膜，在所述金膜上绘制圆瓣结构；通过聚焦离子束铣削技术在玻璃衬底上的金膜上刻蚀出圆瓣结构。

在本实施例，参见图4，在所述金膜上绘制圆瓣结构包括：在所述金膜上以一个半径为rμm的圆作为基圆y1，将基圆y1分别向左和向右移动xμm得到圆y2、圆y3，将基圆y1右边的圆弧和圆y2右边的圆弧围城的区域作为第一圆瓣，将基圆y1左边的圆弧和圆y3左边的圆弧围城的区域作为第二圆瓣，第一圆瓣和第二圆瓣组成圆瓣对31，圆瓣对31内部形成在y方向有开口的圆瓣小孔32，其中圆瓣小孔32的半径为rμm，圆瓣对31的瓣宽为xμm。圆瓣小孔32的半径与基圆y1半径相同，瓣宽等于基圆y1向左或者向右移动的距离。

在本实施例，x＝5，r＝1，基圆y1的半径为5μm，圆瓣对31的瓣宽为1μm。在本实施例，金膜为80nm，金膜包括10nm的铬和70nm的金。玻璃衬底的厚度为0.3cm。本实施例的圆瓣小孔半径5μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针图如图5(a)所示。本实施例的圆瓣小孔半径5μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针传播2μm处超振荡聚焦光斑图如图5(b)所示。本实施例的圆瓣小孔半径5μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针的光强分布图如图5(c)所示。

依据超振荡原理，平面光波通过具有中心对称分布的圆瓣结构的圆瓣小孔32时，圆瓣小孔32的边界会诱发许多高频分量，这些高阶频率成分在远场进行有规则的相干叠加，进而在远场产生超振荡光针。为了有效抑制超振荡旁瓣，该圆瓣结构的特点为：采用圆作为基本结构，使得锐边诱发的高频分量同时向圆心处相干叠加形成一个亮点，从而减小聚焦光斑尺寸；当基圆y1分别向左和右移动时，圆瓣结构形成在y方向有开口的圆瓣小孔32，由于y方向上开口的存在，诱发的高频分量从y方向的尖端处向圆瓣小孔32的中心叠加，y轴开口方向没有高频分量的贡献，使得聚焦光斑的y轴方向几乎没有旁瓣的产生，具有很大的分辨视场。本方案不需要复杂的结构设计，也不需要优化算法，极大地降低设备加工的精度和难度，将有望广泛应用于远场超分辨成像等领域。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，基圆y1的半径为7μm，圆瓣对31的瓣宽为1μm。本实施例的圆瓣小孔32半径7μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针图如图6(a)所示。本实施例的圆瓣小孔32半径7μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针传播3μm处超振荡聚焦光斑图如图6(b)。本实施例的圆瓣小孔32半径7μm，瓣宽1μm的圆瓣结构产生的超振荡光针的光强分布图如图6(c)所示。

综上，本发明利用二元振幅调制的几何锐边结构，构建一个中心对称的圆瓣结构，基于几何锐边衍射原理产生超振荡光针，产生的超振荡光针在传播的y轴方向抑制了超分辨聚焦光斑旁瓣，扩大了分辨视场，利用该方法所产生超振荡光针简单易操控，不需要复杂的工艺制作，在超分辨光刻、高密度光存储和生物医学成像等领域均有重大潜力。所产生的聚焦光斑尺寸分布在远场，光斑尺寸可以达到0.15λ，并且在聚焦光斑的y轴方向几乎没有旁瓣的产生，可以大大提高分辨的视场，该系统简单易操控，无需复杂工艺，可广泛应用于超分辨成像等领域。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。