基于超振荡原理的超分辨透镜优化设计与制备

发布时间：2017-09-07 22:54

  本文关键词：基于超振荡原理的超分辨透镜优化设计与制备

  更多相关文章： 超分辨 超振荡 衍射理论 优化模型 性能测试

【摘要】：由于光学衍射极限的存在,光学系统的分辨率受到极大的限制,因此,突破衍射极限实现光学超分辨聚焦和成像成为科学研究中的一个热点和难点问题。随着微纳米技术的发展,光学超分辨技术在超微细光刻、生物/医学超分辨成像观测、粒子操纵、高密度数据记录及存储等领域具有十分重要的研究意义和应用价值。目前,通过平面金属薄膜纳米结构实现光学超分辨的方式主要有两种:一种是利用表面等离子体恢复和放大倏逝波并使其参与成像,但是该方法实现的工作距离很小,难以在准远场及远场实现超分辨;另一种方式是根据光学超振荡原理通过精细调节衍射光束干涉传播过程能够在远场区域形成具有超振荡特性的亚波长光斑。本文通过对光学超振荡实现超分辨的机理进行分析,研究超振荡透镜聚焦性能的可控性矢量优化设计方法,并对超振荡透镜的聚焦性能进行仿真和实验测试,完成对理论优化设计结果的验证分析。本文主要研究内容如下:1.探究光学超振荡实现超分辨的机理,并对目前超振荡透镜的设计方法进行深入分析。研究发现:衍射极限只是一种实际上的限制,根据光学超振荡现象,衍射光斑的尺寸在理论上是没有极限的,关键在于处理好聚焦光斑与旁瓣能量之间的关系。针对超振荡透镜聚焦性能的可控性问题等,提出建立多目标多约束优化设计模型实现透镜亚衍射极限聚焦的精确可控。2.针对衍射相关的理论基础进行分析,确定矢量衍射理论对超振荡透镜设计具有普适性并推导不同偏振态下透镜的衍射光场分布。通过时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)对不同孔径下圆孔衍射的强度分布进行仿真分析并与理论计算结果进行对比,验证了矢量衍射理论对超振荡透镜设计的有效性。3.基于矢量角谱理论建立了超振荡透镜亚衍射极限光斑和亚衍射极限光针优化设计模型。采用遗传算法和快速汉克尔变换算法编制Matlab优化求解程序。利用FDTD对超振荡透镜理论设计结果进行仿真分析,仿真结果和设计结果基本吻合,从而证明了本设计模型能够较好地实现超振荡透镜聚焦性能的可控性优化设计。4.根据超振荡透镜的结构特征结合微纳米加工技术的特点,采用聚焦离子束(focused ion beam,FIB)纳米加工技术完成器件的制备。同时,利用尼康倒置显微镜光路系统搭建透镜性能测试平台并对实验测试中的关键因素进行分析。最后将实验结果与理论设计结果进行对比并分析误差产生的原因。本文的主要创新点是提出并建立了多目标多约束的优化设计模型,实现了超振荡透镜的可控性优化设计。
【关键词】：超分辨 超振荡 衍射理论 优化模型 性能测试
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 平面金属薄膜纳米结构透镜的国内外研究现状13-16
• 1.2.1 表面等离子体透镜13-14
• 1.2.2 光学超振荡透镜14-16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 超振荡透镜及其设计相关理论基础18-36
• 2.1 光学超分辨与超振荡理论18-23
• 2.1.1 光学超分辨18-20
• 2.1.2 光学超振荡现象20-21
• 2.1.3 基于光学超振荡实现超分辨21-23
• 2.2 标量衍射理论23-30
• 2.2.1 基尔霍夫衍射理论 (Kirchhoff Diffraction Theory)23-27
• 2.2.2 标量瑞利-索末菲衍射理论 (Scalar R-S Diffraction Theory)27-28
• 2.2.3 标量角谱理论 (Scalar Angular Spectrum Theory)28-30
• 2.3 矢量衍射理论30-32
• 2.3.1 矢量瑞利-索末菲衍射理论 (Vectorial R-S Diffraction Theory)30-31
• 2.3.2 矢量角谱理论 (Vectorial Angular Spectrum Theory)31
• 2.3.3 两种矢量衍射理论的等价性31-32
• 2.4 遗传算法32-35
• 2.4.1 遗传算法的基本原理33
• 2.4.2 遗传算法计算流程33-34
• 2.4.3 多目标遗传算法34-35
• 2.5 本章小节35-36
• 第3章 超振荡透镜优化设计方法36-54
• 3.1 不同偏振态下超振荡透镜电场分布36-39
• 3.2 简单圆孔衍射分析39-41
• 3.3 光斑超分辨聚焦的可控性优化设计41-48
• 3.3.1 数学模型41-43
• 3.3.2 算法实现43-45
• 3.3.3 结果分析45-47
• 3.3.4 尺度效应47-48
• 3.4 超振荡光针的可控性优化设计48-53
• 3.4.1 数学模型49-50
• 3.4.2 结果分析50-52
• 3.4.3 理论验证52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 超振荡透镜的加工与性能测试54-60
• 4.1 超振荡透镜的制备54-55
• 4.2 超振荡透镜性能测试55-58
• 4.2.1 实验测试的关键因素分析55-56
• 4.2.2 实验结果与分析56-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第5章 总结与展望60-62
• 5.1 总结60
• 5.2 展望60-62
• 参考文献62-66
• 发表论文和参加科研情况66-68
• 致谢68-69

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