[发明专利]一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜及设计方法

说明书

一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜，其是通过对聚焦器件的傅里叶频谱相对于空间截止频率的压缩，来实现超长焦深的聚焦焦斑。透镜具有圆环形金属‑介质结构，通过求取辅助设计波长和辅助设计焦距，对透镜的振幅分布和相位分布进行优化，实现超长焦深的超衍射聚焦，在焦深大于100倍波长的范围内实现焦斑的横向尺寸小于衍射极限。本发明极大地降低了超长焦深超衍射透镜的设计复杂度和计算量，解决常规透镜设计方法难以实现超长焦深超衍射焦斑的难题。这种聚焦透镜在粒子操控、超分辨光学显微、高密度数据存储等方面应用前景。本发明还可以拓展到电磁波的其他波段，不仅限于光学波段，因此，可以广泛应用在电磁波功能器件的设计和实现上。

技术领域

本发明属于光聚焦、光成像、光场调控领域，特别是涉及超长焦深超衍射聚焦透镜。

背景技术

对于常规的超衍射透镜而言，通常难以实现100λ焦深的超衍射实心焦斑或超衍射空心焦斑，这种超长的超衍射实心焦斑或超衍射空心焦斑在超分辨光学显微、粒子操控、高密度数据存储、超分辨光刻等方面有着重要的应用价值。同时，传统的长焦深超衍射实心焦斑或超衍射空心焦斑透镜设计的计算量极大，其通常是对沿光传播光轴上，给定的焦深范围内取N个点(N为整数)，对每个点进行优化设计，其计算量随焦深增加呈线性增长(相当于进行N个透镜的优化设计)，难以根据目标参数(工作波长λ、透镜半径R、透镜焦距f、透镜焦深DOF、焦斑尺寸FWHM)，实现大于20λ焦深的超衍射焦斑(或超衍射空心焦斑)的超衍射透镜设计。

(1)采用粒子群优化算法，沿光轴对焦深进行逐点设计的长焦深超衍射器件报道，焦深均小于20λ，以及相关设计方法：相关文献如：YuAnping,Chen Gang,Zhang Zhihai,WenZhongquan,Dai Luru,ZhangKun,JiangSenlin,Wu Zhixiang,Li Yuyan,Wang Changtao,Luo Xiangang,Creation of Sub-diffraction Longitudinally Polarized Spot byFocusing Radially Polarized Light with Binary Phase Lens,Scientific Reports,6,pp38859:1-9,2016；

F.Qin,K.Huang,J.F.Wu,J.Jiao,X.G.Luo,C.W.Qiu,and M.H.Hong,“Shaping ASub-wavelength Needle with Ultra-long Focal Length by Focusing AzimuthallyPolarized Light,”Sci.Rep.5(1),9977–9977(2015).

G.H.Yuan,E.T.F.Rogers,T.Roy,G.Adamo,Z.X.Shen,and N.I.Zheludev,“PlanarSuper-oscillatory Lens for Sub-diffraction Optical Needles at VioletWavelengths,”Sci.Rep.4(1),6333–6333(2014).

Jinshuai Diao,Weizheng Yuan,Yiting Yu,Yechuan Zhu,and Yan Wu,Controllable design of super-oscillatory planar lenses for sub-diffraction-limit optical needles,Optics Express 24(3),1924-1933(2016)

(2)长焦深超衍射器件的在粒子操控、超分辨光学显微、高密度数据存储等方面应用或潜在应用的报道。