【摘 要】
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柱矢量光束因其独特光学特性,可构建空心光环、空心光针和三维空心焦斑等特殊聚焦光场。此类光场在光镊、粒子操控和光学显微等领域具有巨大应用潜力;现有产生方案依赖于传统光学器件的聚焦功能,焦斑尺寸受到衍射效应限制,严重影响上述光学领域的发展,因此需要研究突破衍射极限的方法。光学超振荡利用较低空间频率的谐波分量,实现局部空间频率快速振荡,该技术可实现远场超分辨聚焦。开展柱矢量光场远场超振荡器件研究,具有重
【基金项目】
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国家重点基础研究发展973计划（2013CBA01700）； 国家自然科学基金项目（61575031、61177093）；
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柱矢量光束因其独特光学特性,可构建空心光环、空心光针和三维空心焦斑等特殊聚焦光场。此类光场在光镊、粒子操控和光学显微等领域具有巨大应用潜力;现有产生方案依赖于传统光学器件的聚焦功能,焦斑尺寸受到衍射效应限制,严重影响上述光学领域的发展,因此需要研究突破衍射极限的方法。光学超振荡利用较低空间频率的谐波分量,实现局部空间频率快速振荡,该技术可实现远场超分辨聚焦。开展柱矢量光场远场超振荡器件研究,具有重要的科研意义和实用价值。本文针对传统聚焦器件体积大、不易集成和衍射受限等问题,提出了二值相位型空心光环、空心光针和三维空心焦斑远场超分辨聚焦器件。针对波长λ=632.8nm的角向偏振光,采用矢量角谱衍射方法,结合粒子群优化算法优化设计空心光环聚焦器件,器件半径和焦距分别为500λ和600λ;结果表明:焦斑内径半高全宽为0.57λ,旁瓣比率为5.1%,在[-500λ,500λ]设计范围内无边带;利用Si3N4介质同心圆环作为器件基本结构单元,实现二值相位调控;采用感应耦合等离子体增强化学沉积、电子束曝光和电感应耦合等离子体刻蚀等工艺完成器件制作;采用基于纳米探针扫描的远场超分辨光场测试系统表征空心光环焦斑,实验结果表明:器件焦距为600.5λ,焦斑内径半高全宽0.61λ,旁瓣比率为11.4%,在[-40λ120λ]测试范围内无边带。该器件实现了对角向偏振光远场超分辨聚焦,焦斑尺寸小于阿贝衍射极限0.78λ（0.5λ/NA）,解决了现有空心光环聚焦过程中的传统聚焦器件体积大、不易集成和衍射受限等问题。同时,针对波长632.8 nm的角向偏振光,采用上述设计和加工方法,制作了空心光针聚焦器件,半径为650λ,焦距为300λ;设计结果表明:光针焦深为11.3λ,旁瓣比率小于38.4%,内径半高全宽为0.34λ-0.40λ;搭建大数值孔径显微镜超分辨光场测试系统,对空心光针焦斑进行表征,实验结果表明:光针焦深约为10λ,旁瓣比率小于40%,内径半高全宽为0.34λ-0.52λ,小于阿贝衍射极限（0.5λ/NA）。该器件解决了现有空心光环焦斑焦深短的问题。现有三维空心焦斑聚焦方案光路系统复杂,且需要精确光路调节,针对波长632.8 nm的柱矢量光束,采用上述设计和加工方法,制作了三维空心焦斑聚焦器件,半径和焦距分别为650λ和300λ,数值孔径为0.908;设计结果表明:横向和轴向内径半高全宽分别为0.567λ和1.621λ,横向和轴向中心-峰值强度比值分别为7.1%和0.7%;采用基于纳米探针扫描的远场超分辨光场测试系统对该器件开展实验研究,实验结果表明:横向和轴向内径半高全宽分别为0.546λ和1.585λ;横向和轴向中心-峰值强度比值分别为3.5%和3.7%。实现了远场三维空心焦斑聚焦,横向内径半高全宽小于阿贝衍射极限0.551λ（0.5λ/NA）。解决了现有三维空心焦斑聚焦中复杂的光路调节问题和横向焦斑尺寸衍射受限的问题。针对现有柱矢量光束聚焦过程中,入射光束和聚焦器件同轴对准误差严重影响器件聚焦特性的难题,提出了一种集成相位和偏振调控功能的透射型双折射超表面结构。采用无定形硅（α-Si）长方体结构,形成正交偏振态的180度固定相位差,以实现亚波长1/2波片;通过将亚波长1/2波片旋转90度,实现二值相位调控。在线偏振光入射情况下,通过旋转亚波长1/2波片实现出射光场偏振方向的连续调控,结合二值相位调控功能,进而在单个器件上实现偏振转换和聚焦功能集成,同时解决了光场多维度（相位和偏振）调控难题。针对波长为632.8 nm的线偏振光,采用上述设计方法,设计了角向偏振聚焦器件,器件半径和焦距分别为27λ和14.8λ,数值孔径为0.874。采用FDTD Solutions仿真软件对器件进行数值仿真,结果表明:焦距为14.5λ,内径半高全宽为0.379λ,旁瓣比率为26.8%。焦斑尺寸小于超振荡判据,实现了角向偏振转换和超振荡聚焦功能集成,解决了入射光束中心与聚焦器件中心对准困难的问题。针对现有三维空心焦斑存在横向和轴向上光场强度不均匀问题,提出了一组实现角向和径向偏振分量独立二值相位调控的全介质超表面结构。通过优化亚波长α-Si单元结构几何参数,实现正交方向上独立二值相位调控。针对波长λ=632.8nm的柱矢量光束,采用上述设计方法,设计了全介质超表面三维空心焦斑聚焦器件,半径和焦距分别为35λ和12λ,数值孔径为0.946。采用FDTD Solutions仿真软件进行数值仿真,结果表明:焦斑横向内径半高全宽为0.33λ,低于超振荡判据0.402λ（0.38λ/NA）,轴向内径半高全宽为1.33λ。该器件实现了横向和轴向上光场独立优化设计,解决了三维空心焦斑横向和轴向上光场强度不均匀问题。
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