超分辨率納米聚焦系統(tǒng)設(shè)計

蘇明生 張永軒 孟春麗 王海鳳

文章編號： 1005-5630（2018）06-0061-04

摘要： 納米尺寸的聚焦光斑在光存儲、光學(xué)成像等領(lǐng)域有著重要的作用，為此設(shè)計了一種近場聚焦系統(tǒng)來獲得超分辨率納米聚焦光斑。系統(tǒng)中使用縱向偏振光做光源，用于激發(fā)光學(xué)天線產(chǎn)生表面等離子體增益，形成納米光斑。分析了不同材料和尺寸的光學(xué)天線對超分辨率聚焦的影響，進(jìn)而設(shè)計由合適的材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光學(xué)天線，實現(xiàn)10 nm直徑的聚焦光斑。

關(guān)鍵詞： 超分辨率聚焦; 縱向偏振光; 光學(xué)天線

中圖分類號： O 53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.010

引言

隨著微納米技術(shù)的高速發(fā)展，人們對信息的需求迅速增加，傳統(tǒng)的光學(xué)聚焦系統(tǒng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如光學(xué)存儲技術(shù)[1]、光刻技術(shù)[2]、光學(xué)成像技術(shù)[3]等，這些都面臨著突破衍射極限的問題。由于衍射效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的聚焦點的大小或發(fā)射光束的直徑通常被限制在波長范圍內(nèi)。因此，基于突破衍射極限的超分辨率納米聚焦系統(tǒng)設(shè)計成為現(xiàn)代光學(xué)的一個重要課題。目前實現(xiàn)超分辨率成像的方法有光激活定位顯微技術(shù)[4]、隨機光學(xué)重構(gòu)顯微技術(shù)[5]、受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)[6]、結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)[7]等。但這些方法都有著自身的局限性，前三種是基于熒光材料的非線性響應(yīng)的方法，需要對被觀察的樣品進(jìn)行熒光預(yù)處理，一般只能用于生物成像，而對于光存儲、光刻和更加廣泛的工業(yè)成像，這種方法很難用得上。結(jié)構(gòu)光照明成像技術(shù)，可以將傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的分辨率提高近一倍，但對于需要更高分辨率的應(yīng)用也是無能為力，并且它很難用于光存儲與光刻技術(shù)。本文針對納米尺度的光聚焦問題，設(shè)計了一個超分辨率納米聚焦系統(tǒng)。

1聚焦系統(tǒng)設(shè)計

本文的聚焦系統(tǒng)主要是使用光學(xué)天線[8]。在入射光的偏振方向上，光學(xué)天線可以耦合、增強和定位光波。光學(xué)天線的工作原理是其可以自激發(fā)表面等離子體，其中表面等離子體是一種由光子和自由電子相互作用產(chǎn)生的表面電磁模式，并被限制在金屬和介質(zhì)相交的界面上。而光學(xué)天線之所以可以自激發(fā)表面等離子體是因為天線具有比激發(fā)光的波長小得多的特征，其可以激發(fā)覆蓋包括表面等離子體頻率在內(nèi)的寬頻率范圍的倏逝波。倏逝波可以匹配表面等離子體頻率耦合到表面等離子體基元，從而實現(xiàn)高強度的光斑和納米尺寸的場定位。另外，表面等離子體的頻率取決于光學(xué)天線的金屬材質(zhì)、形狀、大小等。

式中：ω為入射光的頻率;εr為金屬介電常數(shù)的實部;εi為金屬介電常數(shù)的虛部。

由于激發(fā)光的偏振狀態(tài)也能有效地影響光學(xué)天線的性能，因此本文的聚焦系統(tǒng)設(shè)計中使用的是縱向偏振光[11]。因為有強烈的縱向光的存在，納米球可以直接在其下面定位納米級的光點，這使得許多尖端的應(yīng)用變得非常方便。我們所選光源的波長是600 nm，入射光沿著z軸方向傳播，此外，光源是聚焦光源，光源的焦點位于透鏡底部的中心。

在此基礎(chǔ)上，為了提高系統(tǒng)的數(shù)值孔徑[12]，我們還在系統(tǒng)中加入了折射率為n的半球型固態(tài)浸沒透鏡[13]，其中n大于空氣的折射率1，這意味著光線通過聚焦系統(tǒng)，最終聚焦于固體浸沒透鏡的底部表面。在使物方半孔徑角不變的情況下，使折射率增加N倍，從而使系統(tǒng)的數(shù)值孔徑增加N倍。

經(jīng)過以上的分析，我們可以得到超分辨率納米聚焦系統(tǒng)的設(shè)計圖，如圖2所示。徑向偏振光經(jīng)二元切趾器相位調(diào)制得到縱向偏振光，然后經(jīng)過透鏡組、固態(tài)浸沒透鏡和光學(xué)天線聚焦生成超分辨率聚焦光斑[11，14]。

2數(shù)值模擬和理論分析

2.1不同材料的納米球?qū)劢构獍叩挠绊?/p>

從式（1）可以看出，影響表面等離子體頻率的其中一個因素是介質(zhì)材料的介電常數(shù)。因此，針對波長為600 nm的激光，我們比較了三種材料的納米球，它們的半徑是25 nm。在FDTD（有限時域差分）數(shù)值模擬中，我們可以得到大約25 nm直徑的光場分布。圖3為三種光場材料產(chǎn)生的光強圖，我們可以直觀地看出，三種材料所產(chǎn)生的聚焦光斑大小差距甚微，但光強大小各有不同，其中金納米球所產(chǎn)生的聚焦光斑的光強最大，而銀納米球所產(chǎn)生的聚焦光斑的光強最小。這些實驗結(jié)果也間接證明了之前的結(jié)論，即不同材料的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致聚焦所產(chǎn)生的光斑也各有不同，所以我們選用的光學(xué)天線材料為金。

2.2不同半徑的納米球?qū)劢构獍叩挠绊?/p>

光學(xué)天線的工作原理是其可以自激發(fā)表面等離子體，而對于納米球形天線來說，不同半徑大小的納米球自激發(fā)表面等離子體的能力也各有不同。因此，我們選擇不同尺寸的納米球體進(jìn)行模擬以分析其對聚焦光斑的影響。

如圖4所示，隨著納米球半徑的增大，聚焦光斑的大小也隨之增加，表面等離子體增強效應(yīng)也更加明顯。對于半徑為10 nm的納米球體，其焦點很小，聚焦后光增強的幅度較小。相反，對于半徑為100 nm的納米球，聚焦后光增強的幅度較大，其聚焦點尺寸也比較大。對于下一代存儲技術(shù)，要實現(xiàn)每平方英尺（1英尺=30.48 cm）10 TB的存儲密度，我們可以選擇半徑為10 nm的納米球作為光學(xué)天線。

3結(jié)論

本文提出利用光學(xué)天線來實現(xiàn)超分辨率納米聚焦的設(shè)計方案，并在設(shè)計中使用了縱向偏振光和固態(tài)浸沒透鏡。經(jīng)過仿真模擬和理論分析，針對下一代存儲技術(shù)每平方英尺10 TB的存儲密度要求，我們選擇了半徑為10 nm的納米金球作為光學(xué)天線，可以得到大約10 nm直徑的聚焦光斑。

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（編輯：劉鐵英）