[发明专利]一种金属膜超振荡环带片的设计方法

说明书

本发明公开了一种金属膜超振荡环带片的设计方法，属于微纳光学与纳米光子学技术领域。该方法基于不等宽度的金属膜同心环带结构，在激光光束垂直照明条件下，使用矢量角谱理论和快速汉克尔变换算法计算超振荡环带片之后任意距离垂轴平面内的衍射光场；设定超振荡环带片的直径、环带数、焦距和最小环带宽度；建立单焦点或光针聚焦问题的优化目标函数；采用遗传算法对环带宽度及其透过率进行优化，得到满足设计目标的超振荡环带片结构。本发明相对于现有的超振荡环带片设计方法，由于基于不等宽度的环带结构，并可根据现有加工工艺限定最小环带宽度，从而可以设计出包含少量透光环带、具有更优性能的金属膜超振荡环带片。

技术领域

本发明属于微纳光学与纳米光子学技术领域，特别涉及一种金属膜超振荡环带片的设计方法。

背景技术

超振荡(Superoscillation)首先在数学上进行了完整理论描述，是指一个频域带限函数或信号其局域振荡频率比整个函数的截止频率快的一种特殊现象，利用光学超振荡(Optical Superoscillation)可以实现超分辨聚焦，近十年来，在实现光学亚波长聚焦和超分辨成像方面，该方法受到了广泛关注，其本质是在远场光学范畴内，不依赖近场倏逝波的贡献，利用远场传输场的相干叠加产生超分辨聚焦。

2009年，英国南安普敦大学理论构造了一类特殊的连续振幅透过率函数，然而用连续复振幅透过率函数描述的掩膜板，要求十分苛刻的镀膜工艺以及光刻加工技术，对现有微加工及先进镀膜工艺提出了极高的要求；2012年，南安普敦大学提出了重大改进，提出了超振荡透镜(Super-oscillatory Lens，SOL)，是一类二元振幅多环带型微结构衍射光学元件，本文称金属膜超振荡环带片。

英国南安普敦大学研究人员对金属膜超振荡环带片的设计理念是基于等宽环带宽度的基本假设(参见文献E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T.Roy,S.Savo,J.E.Chad,M.R.Dennis,N.I.Zheludev.A super-oscillatorylens optical microscope forsubwavelength imaging.Nature Materials,2012,11(5),432-435)，并采用粒子群优化算法进行环带片的设计；沿着这种等宽环带基本假设，2013年，哈尔滨工业大学研究人员提出了使用遗传算法和矢量角谱理论进行金属膜超振荡环带片的设计(参见文献T.Liu,J.Tan,J.Liu,H.Wang.Vectorial design of super-oscillatory lens.Optics Express,2013,21(13):15090-15101)；2017年，西北工业大学研究人员基于同样的假设，利用优化算法有效地设计了亚波长多焦点(参见文献M.Li,W.Li,H.Li,Y.Zhu,Y.Yu.Controllable designof super-oscillatory lenses with multiple sub-diffraction-limitfoci.Scientific Reports,2017,7:1335)；国内中科院光电技术研究所、重庆大学、南京大学等研究机构基于等宽环带假设基础进行了广泛的研究，取得了重要进展。

等宽环带为基础的超振荡环带片的设计方法具有设计简单、阐述清晰、调制灵活等优点，而结果往往包含数量众多的环带结构，且环带的半径选择性小，导致在给定观察平面内可能产生的光场强度分布特性受限。上述技术问题是目前超振荡环带片设计面临的困难，急需提出一种设计更加灵活、自由度更高的超振荡环带片的设计方法。

现有技术(国家发明专利：陈刚,温中泉,武志翔,余安平,一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件,专利申请号201610599066.6,申请日期2016年7月27日；陈刚,武志翔,温中泉,张智海,梁高峰,一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件,专利申请号201810220342.2,申请日期2018.03.16)所设计的聚焦器件沿用等宽环带的基本假设，属于传统超振荡环带片的技术方法范畴，因此与本发明直接源于不等宽环带假设的设计方法具有本质的显著区别。