基于锥形微米管的亚波长聚焦效应的研究

摘要

近年来，在光学领域中，亚波长聚焦和成像的研究一直是一个热点。传统光学中的Abbe-Rayleigh衍射极限一直以来都是提高光学系统成像分辨率至半波长以下量级的瓶颈。突破衍射极限的系统分辨率以及获得半高宽小于半波长的亚波长尺度的聚焦光斑，在众多的领域里都具有重要的应用价值，如半导体光刻、光学捕获技术、光学存储以及共聚焦显微等领域。
　　 本文基于直接角谱合成的思想，提出了一种新的亚波长聚焦器件——锥形微米管，利用其出射光波的相干特性在远场实现亚波长聚焦。利用3D-BPM算法对此结构的聚焦效果进行了仿真计算，并详细分析了结构参数和入射光场性质对聚焦效果的影响。使用热拉伸法制备了锥形微米管，并且利用波长为671nm的激光通过锥形微米管进行聚焦实验，通过SNOM探针扫描测量，得到距离出射端面1.47μm(2.2λ)处FWHM为435nm(0.65λ)的亚波长聚焦光斑，结果与数值仿真基本一致。这种锥形微米管具有损耗小、传输距离远、制备工艺简单等优势。
　　 本文第一章介绍了亚波长聚焦这个领域的研究现状以及最新进展，具体包括基于负折射率材料的“超透镜”，等离子体平面透镜，纳米孔阵列，微纳光纤阵列和微纳锗环等五种目前比较重要的几种实现亚波长聚焦的方法。
　　 第二章首先阐释了基于角谱合成的亚波长聚焦理论分析，并借鉴验证该理论的实验装置提出了锥形微米管结构。
　　 第三章利用通过3D-BPM进行仿真计算，详细分析了锥形微米管的各结构参数和输入光场性质对聚焦效果的影响。
　　 第四章首先介绍了利用热拉伸法制备锥形微米管结构。搭建了SNOM探针扫描测量实验系统，完成了对光斑的测试实验。
　　 本文最后一章，对本课题的研究工作进行总结，展望后续的工作重心和方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 课题研究目的与意义

1.2 亚波长聚焦研究现状

1.2.1 负折射率材料实现亚波长聚焦

1.2.2 基于等离子体平面透镜的亚波长聚焦

1.2.3 基于类泰伯效应(纳米孔阵列)的亚波长聚焦

1.2.4 基于微纳光纤阵列的亚波长聚焦

1.2.5 基于微纳锗环结构的亚波长聚焦

1.3 论文的研究内容

2 微米管结构实现亚波长聚焦的理论分析与结构设计

2.1 基于直接角谱合成的亚波长聚焦理论分析

2.1.1 直接角谱合成理论概述

2.2 锥形微米管的结构设计

3 锥形微米管各参数影响的数值模拟分析

3.1 锥形微米管的计算模型

3.2 数值仿真计算方法——3D-BPM算法原理

3.3 结构变化对聚焦效果的影响

3.3.1 微米管锥度的影响

3.3.2 微米管端面直径的影响

3.3.3 微米管壁厚的影响

3.4 锥形微米管材质的折射率对聚焦效果的影响

3.5 输入光场性质的影响

3.5.1 光波长的影响

3.5.2 光的偏振效应的影响

4 锥形微米管亚波长聚焦实验方案及其实验结果分析

4.1 锥形微米管的加工与制作

4.2 SNOM探针扫描测量实验及结果分析

4.2.1 SNOM探针及SNOM技术概述

4.2.2 SNOM探针扫描测量系统搭建

4.2.3 软件控制

4.2.4 SNOM探针扫描测量的结果

5 总结与展望

参考文献

作者简历

硕士期间发表论文