超振荡环带片远场亚波长聚焦矢量机理研究

Since 2009, far-field subwavelength focusing and super-resolution imaging via optical superoscillation phenomenon without near-field evanescent waves has attracted wide attentions from the scientific community and becomes one international frontier research topic. Currently, two problems in this field are in urgent need to be solved: first, the mechanism explanation of vectorial electromagnetic theory of super-oscillatory annular plate (SAP); second, the realization of experimental detection mechanism. The research of this project is based on vectorial angular spectrum theory and rigorous electromagnetic numerical analysis algorithm (i.e. Finite Difference Time Domain, FDTD). It aims to establish a versatile, fast, vectorial optimization method for designing subwavelength focusing SAP. A rigorous electromagnetic analysis and computation model for SAP is to be built. Experimental detection study of the subwavelength focusing patterns by optical superoscillation is to be carried out using the confocal axial sectioning nano-positioning principle. It will profoundly disclose the vectorial mechanism and fundamental process of the subwavelength focusing by optical superoscillation through theoretical and experimental comparisons. The study of this project has important scientific value and wide application prospect in far-field super-resolution optical nanoscopy, high aspect ratio micro-/nanolithography, microscopic particle manipulation, high density optical data storage, near-field optics, etc.

利用光学超振荡现象实现不依赖于近场倏逝波贡献的远场亚波长聚焦及超分辨成像是2009年以来引起科学界广泛关注的国际前沿热点研究课题，目前亟待解决超振荡环带片（Super-oscillatory Annular Plate，SAP）亚波长聚焦矢量电磁理论机理揭示及探测机制建立难题。本项目研究基于矢量角谱理论和严格电磁场数值分析算法（时域有限差分法），将建立SAP微结构亚波长聚焦的通用、快速、矢量优化设计方法和SAP微结构严格电磁场分析计算模型，并利用共焦轴向光学层析纳米定位原理，实现光学超振荡亚波长聚焦的实验探测，通过理论与实验比较研究，深刻揭示光学超振荡亚波长聚焦的矢量机理及其本质。本项目研究在远场超分辨光学纳米显微成像、高深宽比微纳光刻、微观粒子操纵、高密度光学数据存储、近场光学等领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景。

光学超分辨聚焦及成像长期以来是国内外科学研究的热点和难点问题，而利用光学超振荡实现远场亚波长聚焦及成像是过去十年国际热点研究课题之一。本项目重点研究了超振荡环带片（Super-oscillatory Annular Plate，SAP）远场亚波长聚焦矢量机理，主要研究内容及取得的重要结果有：. 基于矢量角谱理论推导得到了线偏振光、圆偏振光、径向偏振光等典型矢量偏振激光光束垂直照明超振荡环带片时，任意垂轴平面内光场的衍射传播积分表达式；. 系统地建立了实现单焦点和超细光针的SAP远场聚焦矢量优化模型，并采用遗传算法和快速汉克尔变换算法进行优化求解，在可见光至深紫外波段有效设计了多组金属膜超振荡环带片；. 基于严格电磁场数值仿真分析算法——时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）建立了SAP严格电磁物理分析模型，研究揭示了金属膜SAP的金属膜材料类型、薄膜厚度、波长色散等对衍射聚焦光场的影响规律，优选照明波长的1/10~1/6厚的金属铝膜作为镀膜参数；. 提出了超振荡环带片三维全矢量电磁分析方法，分为矢量电磁聚焦和电磁成像两个过程，后者采用等价磁偶极子矢量成像理论进行精确描述，首次揭示了远场显微成像间接实验探测方法仅可有效探测聚焦电场的横向分量；. 系统研究了大数值孔径菲涅尔波带片（Fresnel Zone Plate，FZP）聚焦特性，可实现超分辨、单焦点、线性焦移色散，发现并命名了准确描述FZP轴向聚焦光斑尺度的Jiang-Wilson公式；. 实验探索了电子束光刻方法制备典型SAP微结构单元的工艺参数，并利用扫描电镜等进行了表征；. 提出采用结构光照明层析定位机理精确确定SAP最佳聚焦平面轴向位置的方法，而后利用高倍、大数值孔径显微成像系统实现SAP聚焦光场的探测，并与扫描近场光学显微镜SAP近场实验结果进行了比较分析。. 本项目研究结果在微纳光学、集成光学、纳米光子学、显微技术、精密工程等领域具有重要科学价值，具体在微光学系统集成、远场超分辨光学聚焦、纳米显微成像、微纳光刻、粒子操纵、近场光学等方面具有重要的现实意义和广阔的应用前景。