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基于微纳结构的亚波长聚焦效应的研究

作　者: 王潇
导　师: 刘旭；符建
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 亚波长超分辨聚焦超振微纳结构显微
分类号: O436
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

传统光学由于衍射极限的存在,不能在远场区域获得半宽度小于半波长的亚波长尺度的聚焦光斑。而将光束聚焦到一个具有很高光强的极小光斑在众多光学领域具有重要应用价值,如光学存储、光刻、纳米激光加工、共聚焦显微技术以及生命科学等领域。本文根据超振思想,提出了一种利用微纳孔径出射光波的相干特性在远场实现亚波长聚焦的新方案,设计了微纳光纤阵列,纳米孔阵列和纳米环结构三种能实现亚波长聚焦的微结构。利用FD-BPM算法对这些结构的聚焦效果进行了仿真计算,在远场区域获得了亚波长的聚焦光斑,并详细分析了微结构本身和入射光场对聚焦效果的影响。根据设计,完成了微结构加工制作,并搭建了实验系统进行实验验证。最后对这种聚焦光斑在超分辨显微方面的应用进行了简单分析。本文第一章首先介绍了亚波长聚焦在光学领域的重要意义,并系统介绍了这个领域的发展现状,比较了目前比较重要的几种实现亚波长聚焦方法原理、聚焦效果以及局限性。第二章首先阐释了超振理论,基于超振理论设计了三种微纳结构有微纳光纤阵列,微纳锗环,微纳玻璃环。并利用FD-BPM仿真计算给出了不同结构的聚焦效果。第三章以微纳光纤阵列结构为例,利用FD-BPM算法通过仿真计算的手段,详细分析了微纳结构特性和输入光场对聚焦效果的影响。第四章介绍了利用聚焦离子束(FIB)技术加工制作微纳锗环结构和利用热拉伸法制作微纳玻璃环结构。分别搭建了利用显微物镜加CCD和利用SNOM探针进行扫描光场的两个实验系统,完成了对光斑的测试实验。在本章最后部分,简略介绍了微纳结构实现的亚波长聚焦在共焦扫描超分辨显微系统上的应用。本文最后一章,对本课题的研究工作进行总结,指出后续工作的重心和方向。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目次  8-10
1 绪论  10-19
  1.1 课题研究目的与意义  10
  1.2 亚波长聚焦研究现状  10-16
    1.2.1 基于近场光学的亚波长聚焦和显微  10-11
    1.2.2 利用负折射率材料实验亚波长成像  11-12
    1.2.3 基于金属孔缝聚焦  12-13
    1.2.4 基于纳米孔阵列的亚波长聚焦  13-14
    1.2.5 基于多模光纤自聚焦效应的亚波长聚焦  14
    1.2.6 基于多光束干涉叠加的亚波长聚焦  14-16
  1.3 微结构制备的发展现状  16-17
  1.4 论文的研究内容  17-19
2 微纳结构实现亚波长聚焦的理论分析与结构设计  19-29
  2.1 基于超振的亚波长聚焦理论分析  19-22
    2.1.1 超振理论概述  19-21
    2.1.2 微纳结构设计思想  21
    2.1.3 数值仿真计算方法  21-22
  2.2 几种微纳结构的设计方案  22-29
    2.2.1 微纳光纤阵列  22-24
    2.2.2 微纳玻璃环结构  24-26
    2.2.3 微纳锗环结构  26-29
3 微纳结构影响的数值模拟分析  29-42
  3.1 结构变化对聚焦效果的影响  30-33
    3.1.1 阵列中光纤数目的影响  30-31
    3.1.2 结构尺寸的影响  31-33
  3.2 光纤参数对聚焦效果的影响  33-37
    3.2.1 折射率的影响  33-36
    3.2.2 微纳光纤直径的影响  36-37
  3.3 输入光场性质的影响  37-42
    3.3.1 光波长的影响  37-38
    3.3.2 输入光场强度分布影响  38-40
    3.3.3 输入相位分布的影响  40-42
4 微结构加工及其实验分析  42-65
  4.1 微结构的加工与制作  42-46
    4.1.1 微纳光纤阵列实验方案  42
    4.1.2 微纳玻璃环结构的加工  42-44
    4.1.3 微纳锗环加工  44-46
  4.2 显微物镜实验平台及结果分析  46-52
  4.3 SNOM探针光斑扫描测试平台及实验结果分析  52-62
    4.3.1 SNOM探针光斑扫描测试系统搭建  52-56
    4.3.2 软件控制  56-57
    4.3.3 SNOM探针光斑测试装置的结果  57-62
  4.4 亚波长聚焦光斑在共焦显微方面的应用  62-65
5 总结与展望  65-67
参考文献  67-71
作者简历  71
硕士期间发表论文  71

基于微纳结构的亚波长聚焦效应的研究

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