显微术中行波/消逝波混合成像的机理与方法研究

Due to evanescent wave component is missing durning optical imaging, the resolution of traditional optical imaging system can not exceed half a working wavelength, so the key to super-resolution imaging is trying to enforce the evanescent waves which represent object details to participate in the imaging process. In this project, a novel hybrid imaging which involves both propagating and evanescent waves is put forward to study. With the starting point and research objective that realize high quality hybrid imaging of microscopic objective, this project aims to investigate the theoretical analysis and design model of micro-nano metal lens in detail, research the modification principle of the ration between propagating and evenescent waves when imaging, develop the method to integrate traditional optical objective and mirco-nano metal lens, and optimization design theory for hybrid imaging system, build up effective simulation and evaluation modeling. The project could theoretically build a renovated theoretical system for hybrid imaging based on propagation and evanescent waves, so as to provide a brand new approach in achieving high quality optical imaging. Furthermore, international original research performances can be achieved when the project is applied in the areas such as nanometer scale real-time microscopy, nano-lithography and other high technology to meet the state urgent requirement, so the project has important practical significance and academic value.

传统光学成像过程中由于消逝波成分的丢失，使得成像分辨率不能超过半个工作波长，因此让代表物体细节的消逝波参与成像是实现超分辨率成像的关键。本项目拟研究一种让行波和消逝波同时参与成像的混合成像原理，以实现显微术的分辨率增强作为切入点和研究目标，拟深入研究微纳金属透镜的理论分析与设计模型，研究行波与消逝波的调节机制，发展传统光学透镜与微纳金属透镜混合集成的方法、混合成像的优化设计理论，建立有效的模拟仿真与评价手段。该项目理论上可建立起基于行波和消逝波混合成像的新理论体系，为高品质光学系统的设计提供一种全新的理论方法，应用上有望在纳米尺度实时显微术、纳米光刻等国家急需的高端技术上取得国际首创的科研成果，因此项目具有重要的现实意义和学术价值。

传统光学成像过程中由于消逝波成分的丢失，使得成像分辨率不能超过半个工作波长，因此让代表物体细节的消逝波参与成像是实现超分辨率成像的关键。项目组针对显微术对超分辨率成像的紧迫需求，系统研究了行波/消逝波混合成像的机理、方法、理论建模、电磁仿真、成像器件及其应用，取得了重要的研究成果。在研究过程中，我们厘清了基于平面叠层超材料结构的消逝波转化为行波的原理，提出了其用于实现显微成像的具体技术方案，并完成了理论建模、透镜设计和模拟仿真验证等工作；我们考虑到微波波段的实验便捷性，通过微波实验验证了我们提出的叠层超材料实现超分辨的可行性，并取得了三分之一波长的超分辨成像结果。研究过程中，我们顺应国际超材料发展的潮流，开辟了超表面材料(metasurface)实现超分辨成像的新思路，厘清了几何相位超表面光栅实现行波和消逝波相互转化的机理，并通过仿真实验加以验证；我们研究了行波与消逝波的调节机制，在可见光波段，我们设计出具有4台阶16种独立偏振相位调节的亚波长超表面光栅，提出了同时对来自平面物体的行波和消逝波的单独传递到远场的新思路，并通过理论设计、仿真实验加以验证，完美的完成了本项目的核心研究内容。基于超表面材料的独特相位调制能力，我们还发明了一系列与显微成像相关的、先进的光电子功能元器件，包括微型偏振分离器件、激光分束器件、全息照明器件、双档变焦镜头等。总结起来讲，我们发展了行波/消逝波混合成像的优化设计理论，揭示行波/消逝波在超材料中传递的基本物理变化规律，实现了有效的模拟仿真与评价手段，建立起基于超表面材料的行波和消逝波混合成像的新理论体系，为高品质光学系统的设计提供了一种全新的理论方法，并有望在纳米尺度实时显微术、纳米光刻等国家急需的高端技术上取得重要的应用，因此项目研究成果具有重要的现实意义和学术价值。