基于金属介质交替膜层结构材料的超分辨显微成像理论和实验研究

受衍射极限限制，传统光学显微镜最高分辨力只有半个波长左右。随着现代科学技术研究进入到纳米尺度，作为应用最广泛的研究工具光学显微镜的分辨力越来越不能满足实际应用需要。2000年，J.B.Pendry提出利用共振激发金属薄膜表面等离子体模式，携带高频信息的倏逝波放大和参与成像，实现超分辨成像。但物像面均局域在近场范围，且放大率为1，不能应用于光学显微成像。本项目提出研究由交替排布的金属介质薄膜结构材料的电磁行为规律和超衍射物理机制，利用电磁波在该材料中的超衍射传输和变换特性，通过在材料表面构造特殊设计的亚波长结构，实现倏逝波到远场的转换，并在远场像面和近场物面之间建立光学共轭成像关系。通过本项目研究，完成能够实现物像平面化、放大成像、超越衍射极限分辨的新概念显微成像器件和实验系统，为新一代纳米尺度分辨力的光学显微镜提供理论和技术基础，对促进我国信息技术和纳米科技进展提供重要手段。

受衍射极限限制，传统远场光学成像，例如显微镜等，最高分辨力只有半个波长左右。2000年，J.B.Pendry提出超透镜概念，但物像面均局域在近场范围，不能应用于远场光学成像。本项目主要研究内容为，研究金属介质交替薄膜结构中电磁波超衍射行为规律和机制，研究近场和远场的超分辨成像原理方法，并探索在显微成像领域的应用，为纳米尺度分辨力的光学显微镜提供理论方法基础。项目完成了任务书规定内容和目标，发表SCI论文9篇，受理发明专利5项。主要研究结果如下。.1）研究了交替金属介质薄膜结构构成的双曲色散材料，包括BPPs行为模式、调控设计和激发方法，验证了紫外和可见光范围的BPPs超衍射传输、裁剪现象。采用莫尔条纹方法，实验测试和验证了1.83~2.6倍衍射极限范围的光波超衍射传输特性，为超分辨成像提供了超衍射材料和深亚波长光场产生方法,申请了相关发明专利。相关研究发表在Applied Physics Letters 2014，Opto-Electronic Engineering 2014。.2）提出金属-介质-金属(MIM) 的表面等离子体透镜，实现了纳米透明物体超分辨成像，折射率分辨力和空间分辨力分别为0.1和~1/6波长。相关结果发表在Nanotechnology 2013。.3）提出利用金属介质薄膜双曲色散材料的深亚波长BPPs模式，实现了1/20波长以下（~20nm）深度的表层显微镜照明成像。该方法能够显著提高现有倏逝波显微表层成像能力，深度压缩5倍左右，有望用于纳米厚度的生物组织观测研究。相关方法已授权发明专利。.4）设计和制备了基于Hyperlens结构的超分辨远场成像器件，提出在像面采用MIM共振腔体结构，利用SP共振效应，实现成像分辨力提升2倍以上，并将该方法应用于纳米位相物体远场缩放成像。进一步，引入了离轴照明方法，提高了hyperlens的成像工作距和焦深。相关结果发表在plasmonics 2015。.5）设计和搭建了远场超分辨成像原理验证实验系统，实验验证了SP纳米透明物体相衬成像方法的可行性，在365nm波长条件下通过高倍显微物镜观测到对比度显著增强的光栅图像。测试了亚波长周期纳米物体远场探方法，通过光栅二级衍射激发BPPs模式，在远场莫尔条纹对照实验中，验证了~1/7波长半周期远场成像分辨能力。