[发明专利]一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法

权利要求书

1.一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在固定波长激光垂直照明的条件下，给定所需金属膜超振荡环带片聚焦光场分布特征，根据所需衍射光场分布特征建立优化目标；

步骤二、根据优化目标及现有微纳加工条件，设定金属膜超振荡环带片结构参数：直径D、中心遮挡半径R_b、聚焦焦距f、环带数量N和最小环宽ΔR，设定金属膜超振荡环带片工作参数：照明激光波长λ、激光偏振态和工作介质折射率n_w；

步骤三、根据步骤二中的设定参数，随机初始化若干中心遮挡的不等环宽金属膜超振荡环带片，将每个环带片视作一个独立的个体，所有个体构成初始种群；

步骤四、基于步骤三初始种群中的金属膜超振荡环带片结构，利用矢量角谱理论和快速汉克尔变换算法，计算种群中各环带片后各偏振电场分量以及光场强度分布；

步骤五、根据步骤四中各金属膜超振荡环带片的衍射光场强度分布，结合步骤一中衍射光场优化目标建立适应度函数模型，计算各环带片的适应度大小；

步骤六、根据各金属膜超振荡环带片的适应度大小，采用粒子位置搜索方法，同时结合遗传算法中变异操作对环带片各环宽度进行优化调整，经过迭代运算，最终求解出最接近或满足优化目标要求的金属膜超振荡环带片；其中，优化的具体过程为：

701)随机生成包含P_s个不等环宽金属膜超振荡环带片的种群，根据步骤五中建立的适应度函数模型，计算种群中每个个体的适应度值F_i，i＝1,2,…,P_s，记录初始种群中适应度最佳的个体作为历史最优个体；

702)根据种群中每个个体的适应度值对个体进行排列，将个体的分割点视为可自由移动的粒子，设定个体中所有粒子相对其初始位置的移动距离ΔX_i，i＝1,2,…,N-1，将最大移动距离ΔX_max设置为ΔR/C₁，对应种群中适应度最差的个体，最小移动距离ΔX_min设置为ΔR/C₂，对应种群中适应度最优的个体，C₁，C₂依据环带片实际参数确定，满足C₂≥C₁＞0，其他个体的粒子移动距离根据该个体的适应度值在区间(ΔR/C₂,ΔR/C₁)内均匀分布；

703)根据变异概率P_m，对每个个体随机生成一个随机数r，如果r≤P_m，则对该个体进行变异操作，将该个体的粒子移动距离由区间(ΔR/C₂,ΔR/C₁)内的一个随机数代替；

704)对于种群中每个个体，根据步骤702)和703)中确定的个体粒子移动距离ΔX_i，让个体中所有粒子在±ΔX_i的范围内随机移动，移动完成后对新的粒子序列进行排序，并控制相邻粒子之间的间距大于最小环宽ΔR，由此生成新的种群，计算新种群中所有个体的适应度大小，以新的种群替换原来的种群，同时更新历史最优个体，然后返回到步骤702)，进行新一轮迭代，如此反复直至达到设定的迭代次数N_g；

705)完成迭代次数N_g后，得到整个优化过程中适应度最优的个体，即聚焦效果最接近设计效果的金属膜超振荡环带片，优化结束。

2.根据权利要求1所述不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，所述步骤一中，对于单焦点优化，金属膜超振荡环带片优化目标包括：聚焦光斑焦距、横向半高全宽、轴向焦深、焦平面横向暗场旁瓣强度值、沿轴光场分布旁瓣强度值；对于光针优化，金属膜超振荡环带片优化目标包括：聚焦光针焦距、横向半高全宽、轴向焦深或光针长度、焦平面横向暗场旁瓣强度值、沿轴向光场分布旁瓣强度值。

3.根据权利要求1所述不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，所述步骤二中，金属膜超振荡环带片参数具体设定要求为：环带直径D≥10λ；聚焦焦距fλ；环带数量N≥2；最小环宽ΔR≥100nm；中心遮挡半径R_b≤0.8R，R为环带片半径；照明激光波长λ≥10nm；激光偏振态取线偏振、圆偏振或径向偏振；工作介质选空气、油或水。