[发明专利]一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统及方法

权利要求书

1.一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统，其特征在于，包括：三维偏振的偶极子天线组、非球面物镜和反射光学元件；

其中，所述反射光学元件位于非球面物镜的焦平面，所述偶极子天线组经反射光学元件成像形成虚偶极子天线组；

所述偶极子天线组位于非球面物镜与反射光学元件之间；所述偶极子天线组的辐射场与虚偶极子天线组的辐射场在非球面物镜的波前曲面相干结合，形成波前辐射场；

所述非球面物镜将波前辐射场聚焦，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；所述反射光学元件将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点。

2.如权利要求1所述的单物镜成亚波长近球形焦点系统，其特征在于，所述反射光学元件为平面镜或凹面镜；所述非球面物镜为高数值孔径非球面物镜。

3.如权利要求2所述的单物镜成亚波长近球形焦点系统，其特征在于，若所述反射光学元件为平面镜，则所述偶极子天线组的辐射场与波前曲面的曲率半径满足以下关系：

其中，分别表示偶极子天线组在波前曲面Ω沿x，y和z方向的辐射场，r_s为s波在介质和金属的交界面的反射系数，r_p为p波在介质和金属交界面的反射系数；相位项exp(jkz₀cosθ)和exp(-jkz₀cosθ)分别表示偶极子天线组和虚偶极子天线组传播与焦点相比的附加光程长度引起的多余的相位；θ,φ分别表示波前曲面Ω上任意一点的仰角和方位角；分别表示沿着仰角方向和方位角方向的单位矢量；I₀是偶极子天线组的恒定电流，η是阻抗，k是波数，r是波前曲面Ω的曲率半径。

4.如权利要求3所述的单物镜成亚波长近球形焦点系统，其特征在于，所述波前辐射场与偶极子天线组的辐射场满足以下关系：

其中，t₁,t₂,t₃分别表示偶极子天线组中各偶极子天线的相对幅度和相位，且t₁,t₂,t₃均为复数，可表示为Ae^jβ，A和β分别表示偶极子天线组中各偶极子天线的相对幅度和相位。

5.如权利要求4所述的单物镜成亚波长近球形焦点系统，其特征在于，所述非球面物镜的光瞳平面的输入光场与波前辐射场满足以下关系：

其中，(r_i,φ_i)为光瞳平面的极坐标。

6.如权利要求4所述的单物镜成亚波长近球形焦点系统，其特征在于，所述亚波长近球形焦点附近的光场与波前辐射场满足以下关系：

其中，(r_p,Ψ,z_p)表示焦点附近的柱坐标系，λ是波长，θ_max＝sin^-1(NA)，NA是物镜的数值孔径。

7.一种单物镜成亚波长近球形焦点的方法，其特征在于，包括：

S1：三维偏振的偶极子天线组发出的辐射场与虚偶极子天线组发出的辐场相干结合，形成波前辐射场；其中，所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经反射成像形成；

S2：将波前辐射场聚焦，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；

S3：将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点。