[发明专利]半球型多层膜结构纳米透镜

说明书

技术领域

本发明应用在纳米及生物成像、纳米光刻技术及其它纳米光学领域中，特别涉及一种能够突破衍射极限实现远场成像的半球型多层膜结构纳米透镜。

背景技术

透镜作为成像的一个基本工具，其使用历史已经超过几百年，传统的光学透镜使物体发射出的光偏折并投影成像。然而，物体除了发出普通光线外，也会发出携带大量信息的倏逝波，但这种波随距离增加而呈指数衰减，无法抵达像平面，即为衍射极限。受衍射极限的影响，即便是所有几何像差为零的“完美”成像透镜仍然存在图形失真，其成像分辨率不能超过透镜的半个工作波长，这一现象可以用傅立叶分析理论解释为：携带物体信息的入射光波的傅立叶分量中，较大的横向分量对应着高频成分，代表着物体的细节部分；但含高频横向分量的光波因满足(k_x、k_y为波矢量k在x和y方向分量，ω为入射光角频率、c为光束，传播方向为z轴)而成为倏逝波，倏逝波在传播过程中因指数衰减而无法到达相面，不能参与成像，造成物体细节部分的丢失，因而普通透镜的成像总是有缺陷的。

近场探测可以在场的衍射效应表现出来之前获得场分布，特别是携带亚波长结构高频信息的倏逝场，这要求将探测器放在距物体小于λ/10(λ为入射光波长)的位置上。由于样品和探测器的距离非常小，目前还没有一种成像系统可用于如此小的距离，所以只能使用点状探测器。然而，点状探测器只能局域地接受光，将光转换成电流或发射到自由空间，或通过锥形光纤的尖端等光导器件将信号传输到光电管或光电倍增管。由于这一类点状探测器的原理是利用局域探测，探测器必须沿着物体表面扫描来得到图像结构，所以这类探测器的缺陷是不能同时得到被探测物体的整体形貌。而对于一些高端应用，比如纳米生物成像、探测生物精细结构、纳米光刻技术、高密度光存贮等其它纳米光学领域中，常常需要有亚波长(纳米量级)的分辨本领，这时普通透镜的应用将在一定程度上受到限制。

基于超材料结构的超级透镜为解决这一难题，提供了一种全新的思路。2000年，伦敦皇家学院的著名科学家J.B.Pendry提出拥有负折射率(折射光线落到与常规材料相比的法线的另外一侧)的材料可以捕获到物体的细节信息，并能将其重新聚焦。这一新颖的发现突破了衍射极限，引起了国际社会的热烈响应和广泛讨论，并将在生物医学的精细实时成像、高密度电子电路板印刷技术、高速光纤通讯等领域引发一场技术革命。

发明内容

技术问题：本发明提出一种半球型多层膜结构纳米透镜，采用多层不同材料半球型膜曲面复合纳米结构，能够突破衍射极限，实现远场成像。

技术方案：本发明的半球型多层膜结构纳米透镜，从结构上看，该透镜包括光源、遮光层、透光圆孔、半球型透镜；其中，在遮光层的中间设置一个透光圆孔，半球型透镜位于遮光层的下面，遮光层覆盖在半球型透镜上，光源位于透光圆孔的上方。

半球型透镜由半球壳型电介质层与半球壳型金属层交替重复设置构成。

待测样品紧贴半球型透镜的最内层上表面。

光源的波段为紫外到红外波段。

本发明的半球型多层膜结构纳米透镜中，待测物体作为点源在全方向上都有辐射，其辐射光束在入射到半球型多层膜结构纳米透镜内壁时会发生负折射，并且将在透镜内沿径向传播，使得在普通透镜中无法传播的携带有精细结构信息的高频分量可以在本发明的曲面复合结构的半球型多层膜结构纳米透镜内传播，并在远场实现放大成像。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜与传统的光学透镜相比能够恢复近场范围中的高频信息，实现亚波长成像，突破了衍射极限。

2、本发明所提出的半球型多层膜结构纳米透镜，可以实现远场成像，因而可以避免近场探测所造成的误差；同时，对于远场所成的像，我们仅需要通过普通光学设备便可探测，因此更便于实际操作和应用。

3、本发明的半球型多层膜结构纳米透镜与传统的局域探测器件想比较，即不需要精密的控制系统，也不需要昂贵且需要经常更换的光纤探头，操作简单，价格便宜，并且可以同时探测被测物体整体形貌，有更广泛的应用领域，尤其是生物纳米实时成像等领域。

附图说明

图1是半球型多层膜结构纳米透镜整体结构示意图。

图2是半球型多层膜结构纳米透镜横截面示意图。

图3是模拟结构中采用的半球型多层膜结构纳米透镜横截面示意图。

图4是半球型多层膜结构纳米透镜点源入射端电场分布曲线图。