可见光波段远场纳米光成像学器件：原理与验证

Optical microscopy provides a revolutionary technique for wide fields such as life science, medicine, and microelectronics. However, if the technique can not break the bottleneck of 100 nm spatial resolution in the far field, its advantages would be hard to further reflect in high-speed developing wide fields. This project will focus on the fundamental theory and applications of far-field nano-optical imaging devices with feasible potential and overcoming the shortcomings of the present far-field nano-optical imaging techniques, to construct a theoretical model for understanding the propagation of feature size below 80nm in free space, to design structures for modulating and controlling the propagation of optical field containing nanostructures and to study their physical mechanism and characteristics, and finally to search for imaging methods both numerically and optically. The key scientific and technological problems needed to solve include: 1) Theoretical basis for far-field nano-optical imaging in the case of the optical information propagating in free space. 2) Properties and modulation and control of optical signals containing nanostructures in the far field. 3) Structure design of devices for far-field nano-optical imaging. 4) Methods for far-field nano-optical imaging and principle demonstration. Through the researches of this project, we hope to realize the design and fabrication of far-field nano-optical imaging devices with spatial resolution super over 80 nm, and to hold leading and creative fruits with independent intellectual property rights, and to provide novel and key components for wide applications of nano-optical imaing techniques.

光学显微术给生命科学、医学、微电子科学等广泛领域提供了革命性的手段，但若不能突破远场空间分辨率100nm的瓶颈，其在高速发展的各学科领域的特别优势就很难进一步体现。本项目拟聚焦具有实用化意义的远场纳米光学成像器件的基础理论与应用，为克服现有相关远场纳米光学成像技术的不足，构建特征尺度小于80nm的目标信息在自由空间传输的理论模型，设计调控纳米结构信息自由传输的结构模型，研究调控机理及规律特性，探索纳米结构的数值或光学成像方法。拟解决的关键科学和技术问题:1)自由空间传输条件下，远场纳米光学成像的理论基础。2)纳米结构信息的远场特性与调控。3）远场纳米光学成像器件的结构设计。4)远场纳米光学成像方法与原理验证。通过本项目的研究，实现横向分辨率优于80nm的远场纳米光学成像器件的设计与制备，取得具有自主知识产权、领先于国际同类研究的创新性成果，为纳米光学成像技术的广泛应用提供新的关键器件。

光学显微术给生命科学、医学、微电子科学等广泛领域提供了革命性的手段，但若不能突破远场空间分辨率100nm的瓶颈，其在高速发展的各学科领域的特别优势就很难进一步体现。本项目严格申请书设计的技术路线，开展理论和实验两方面的研究工作。通过研究纳米结构调控光波传输的物理机制，分析纳米结构实现隐逝场向传播场转换、并在自由空间传输的基本规律，本项目利用光栅结构的空间频谱平移原理，实现高频隐逝场向低频传播场的转换。为保证80nm以下纳米结构信息的光场相移调控的连续性，项目使用一维、二维准周期纳米结构模型的多周期特性，实现空间频谱的不间断平移，保证结构在高空间频率范围内的频谱连续性。通过变换光学方法，设计可见光波段、自由空间传输条件下，具有分辨率优于80nm的一维、二维远场纳米光学成像器件结构几何和电磁参数。利用耦合波理论，计算可见光照明条件下，远场衍射场强度分布。通过FDTD方法，FFT方法验证结构的远场光学传输性能，探索结构参数与光场分布之间的关系。利用标定过的多种周期性一维、二维光栅提供点扩散函数，通过光学解反卷积方法，对不同衍射级次的光强信息通过频域滤波处理后，先后通过一维和二维正交准周期Faboncci光栅微结构，获得了间距小于80nm物体的可分辨像（分辨率分别达到九分之一和七分之一波长）。在以上研究工作的基础上，为进一步探索自由空间远场超分辨成像的新方法，拓展研究了利用超快瞬态吸收光谱探测光声振动信息的方法，为下一步利用时间换空间分辨率的自由空间远场超分辨成像技术，提供了一种新思路。共发表研究论文29篇。