超分辨率納米聚焦系統設計

蘇明生 張永軒 孟春麗 王海鳳

文章編號： 1005-5630（2018）06-0061-04

摘要： 納米尺寸的聚焦光斑在光存儲、光學成像等領域有著重要的作用，為此設計了一種近場聚焦系統來獲得超分辨率納米聚焦光斑。系統中使用縱向偏振光做光源，用于激發光學天線產生表面等離子體增益，形成納米光斑。分析了不同材料和尺寸的光學天線對超分辨率聚焦的影響，進而設計由合適的材料和結構構成的光學天線，實現10 nm直徑的聚焦光斑。

關鍵詞： 超分辨率聚焦; 縱向偏振光; 光學天線

中圖分類號： O 53文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.010

引言

隨著微納米技術的高速發展，人們對信息的需求迅速增加，傳統的光學聚焦系統面臨著巨大的挑戰，如光學存儲技術[1]、光刻技術[2]、光學成像技術[3]等，這些都面臨著突破衍射極限的問題。由于衍射效應的影響，傳統的聚焦點的大小或發射光束的直徑通常被限制在波長范圍內。因此，基于突破衍射極限的超分辨率納米聚焦系統設計成為現代光學的一個重要課題。目前實現超分辨率成像的方法有光激活定位顯微技術[4]、隨機光學重構顯微技術[5]、受激發射損耗顯微技術[6]、結構光照明顯微技術[7]等。但這些方法都有著自身的局限性，前三種是基于熒光材料的非線性響應的方法，需要對被觀察的樣品進行熒光預處理，一般只能用于生物成像，而對于光存儲、光刻和更加廣泛的工業成像，這種方法很難用得上。結構光照明成像技術，可以將傳統的光學顯微鏡的分辨率提高近一倍，但對于需要更高分辨率的應用也是無能為力，并且它很難用于光存儲與光刻技術。本文針對納米尺度的光聚焦問題，設計了一個超分辨率納米聚焦系統。

1聚焦系統設計

本文的聚焦系統主要是使用光學天線[8]。在入射光的偏振方向上，光學天線可以耦合、增強和定位光波。光學天線的工作原理是其可以自激發表面等離子體，其中表面等離子體是一種由光子和自由電子相互作用產生的表面電磁模式，并被限制在金屬和介質相交的界面上。而光學天線之所以可以自激發表面等離子體是因為天線具有比激發光的波長小得多的特征，其可以激發覆蓋包括表面等離子體頻率在內的寬頻率范圍的倏逝波。倏逝波可以匹配表面等離子體頻率耦合到表面等離子體基元，從而實現高強度的光斑和納米尺寸的場定位。另外，表面等離子體的頻率取決于光學天線的金屬材質、形狀、大小等。

式中：ω為入射光的頻率;εr為金屬介電常數的實部;εi為金屬介電常數的虛部。

由于激發光的偏振狀態也能有效地影響光學天線的性能，因此本文的聚焦系統設計中使用的是縱向偏振光[11]。因為有強烈的縱向光的存在，納米球可以直接在其下面定位納米級的光點，這使得許多尖端的應用變得非常方便。我們所選光源的波長是600 nm，入射光沿著z軸方向傳播，此外，光源是聚焦光源，光源的焦點位于透鏡底部的中心。

在此基礎上，為了提高系統的數值孔徑[12]，我們還在系統中加入了折射率為n的半球型固態浸沒透鏡[13]，其中n大于空氣的折射率1，這意味著光線通過聚焦系統，最終聚焦于固體浸沒透鏡的底部表面。在使物方半孔徑角不變的情況下，使折射率增加N倍，從而使系統的數值孔徑增加N倍。

經過以上的分析，我們可以得到超分辨率納米聚焦系統的設計圖，如圖2所示。徑向偏振光經二元切趾器相位調制得到縱向偏振光，然后經過透鏡組、固態浸沒透鏡和光學天線聚焦生成超分辨率聚焦光斑[11，14]。

2數值模擬和理論分析

2.1不同材料的納米球對聚焦光斑的影響

從式（1）可以看出，影響表面等離子體頻率的其中一個因素是介質材料的介電常數。因此，針對波長為600 nm的激光，我們比較了三種材料的納米球，它們的半徑是25 nm。在FDTD（有限時域差分）數值模擬中，我們可以得到大約25 nm直徑的光場分布。圖3為三種光場材料產生的光強圖，我們可以直觀地看出，三種材料所產生的聚焦光斑大小差距甚微，但光強大小各有不同，其中金納米球所產生的聚焦光斑的光強最大，而銀納米球所產生的聚焦光斑的光強最小。這些實驗結果也間接證明了之前的結論，即不同材料的介電常數不同，導致聚焦所產生的光斑也各有不同，所以我們選用的光學天線材料為金。

2.2不同半徑的納米球對聚焦光斑的影響

光學天線的工作原理是其可以自激發表面等離子體，而對于納米球形天線來說，不同半徑大小的納米球自激發表面等離子體的能力也各有不同。因此，我們選擇不同尺寸的納米球體進行模擬以分析其對聚焦光斑的影響。

如圖4所示，隨著納米球半徑的增大，聚焦光斑的大小也隨之增加，表面等離子體增強效應也更加明顯。對于半徑為10 nm的納米球體，其焦點很小，聚焦后光增強的幅度較小。相反，對于半徑為100 nm的納米球，聚焦后光增強的幅度較大，其聚焦點尺寸也比較大。對于下一代存儲技術，要實現每平方英尺（1英尺=30.48 cm）10 TB的存儲密度，我們可以選擇半徑為10 nm的納米球作為光學天線。

3結論

本文提出利用光學天線來實現超分辨率納米聚焦的設計方案，并在設計中使用了縱向偏振光和固態浸沒透鏡。經過仿真模擬和理論分析，針對下一代存儲技術每平方英尺10 TB的存儲密度要求，我們選擇了半徑為10 nm的納米金球作為光學天線，可以得到大約10 nm直徑的聚焦光斑。

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（編輯：劉鐵英）