[发明专利]一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法

说明书

一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，在固定波长激光垂直照明的条件下，根据所需衍射光场分布特征建立优化目标，利用优化目标及微纳加工条件，设定金属膜超振荡环带片参数，利用矢量角谱理论和快速汉克尔变换算法，计算超振荡环带片后各偏振电场分量以及光场强度分布，结合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，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。本发明基于不等环宽的环带结构，采用粒子位置搜索的优化方法，从而能够优化出具有更少环带，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，特别涉及一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法。

背景技术

受衍射极限的影响，任何传统光学系统或光学仪器能够分辨物体的最小细节为d₀＝λ/(2NA)，其中λ是照明波长，NA是光学系统的数值孔径。超振荡(Superoscillation)现象指存在一种带限函数，在局部区域的振荡频率远大于其所包含的最大频率分量，利用光学超振荡(Optical Superoscillation)可以在局部空间形成尺寸小于衍射极限的光斑，实现突破衍射极限的超分辨聚焦。近年来，利用超振荡环带片实现超分辨聚焦的方法引起了微纳光学领域的广泛关注，成为该领域的重点研究课题。

现有金属膜超振荡环带片的设计大多基于等环宽假设，即各挡光环和透光环的宽度必须为最小设定环宽的整数倍。如2012年，英国南安普顿大学利用简单的二元振幅型多环带金属膜微结构衍射元件对相干光束进行聚焦，环带宽度满足最小环宽的整数倍设定(参见文献E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T.Roy,et al.A super-oscillatory lens opticalmicroscope for subwavelength imaging.Nature Materials)。2013年，哈尔滨工业大学设计了一系列基于等环宽假设的二值振幅超振荡环带片，实现了超分辨聚焦(参见文献LiuT,Tan J,Liu J,et al.Vectorial design of super-oscillatory lens.OpticsExpress,2013,21(13):15090)。2019年，西北工业大学优化设计出厘米级尺度的金属膜超振荡环带片，但仍然基于了等环宽这一前提条件(参见文献Li W,Yu Y,Yuan W.Flexiblefocusing pattern realization of centimeter-scale planar super-oscillatorylenses in parallel fabrication.Nanoscale,2019,11(1):311-320)。

现有金属膜超振荡环带片优化算法主要分为两类，分别是基于二进制的粒子群算法和基于二进制的基因遗传算法。2013年，新加坡国立大学基于二进制粒子群算法设计出超振荡环带片，实现了基于径向偏振光的纵向光场聚焦(参见文献Ye H,Qiu C W,Huang K,et al.Creation of a longitudinally polarized subwavelength hotspot with anultra-thin planar lens:vectorial Rayleigh-Sommerfeld method.Laser PhysicsLetters,2013,10(6):065004)。2015年，西安交通大学基于二进制的基因遗传算法设计出多个二值振幅型超振荡透镜(参见文献Liu T,Shen T,Yang S,et al.Subwavelengthfocusing by binary multi-annular plates:design theory and experiment.Journalof Optics,2015,17(3):035610)。此外，国内中科院光电技术研究所、重庆大学、西北工业大学、南京大学等科研机构也基于二进制粒子群或基因遗传算法对超振荡环带片的优化算法开展了深入的研究，并取得了一定的进展。