[發明專利]一種基于雙曲透鏡的超分辨率聚焦裝置

無效

• 申請號: 201010176010.2
• 申請日: 2010-05-12
• 公開（公告）號: CN101840054A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 鄭國興;李松;何平安;周輝;楊晉陵;石巖
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G02B7/28
• 分類號: G02B7/28;G02B3/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及光存儲技術領域，尤其涉及一種基于雙曲透鏡的超分辨率聚焦裝置。

背景技術

在光存儲領域，需要一塊大數值孔徑的聚焦鏡將準直后的激光束聚焦成一個足夠小的光點，以實現信息的記錄和讀取。顯然，聚焦光點越小，同一盤面能夠記錄和讀取的信息越多，從而光盤存儲的容量也就越大。聚焦光點的最小尺寸Δx由能夠到達聚焦面的最大橫向波矢k_{x_max}決定，即滿足ΔxΔk≈2π，其中Δk為波矢帶寬，Δk＝2k_{x_max}。在自由傳播空間中，來自聚焦鏡的傳輸波能夠到達焦面的最大橫向波矢為k₀sinθ(k₀＝2π/λ₀，θ為聚焦鏡孔徑角)，因此理想情況下能夠實現的最小聚焦光點為Δx_min＝2π/(2k₀sinθ)＝λ₀/2sinθ，其中λ₀為真空波長。要實現更小的聚焦光點，一種可行的方法是在焦面附近加一塊折射率為n_SIL的固體浸沒透鏡，這種方法可以使聚焦光點進一步縮小到λ₀/2n_SILsinθ，此即衍射受限系統能夠實現的最小光點大小。然而，受材料和激光技術的限制，利用縮小波長和提高數值孔徑的方法來縮小聚焦光點其實可供發掘的潛力已經不大。事實上，實現超衍射極限聚焦光點的關鍵問題是，如何讓橫向波矢超過k₀的會聚光束能夠以傳輸波(而不是倏逝波)的形式到達聚焦鏡的焦面附近，顯然傳統光學材料無法滿足這一要求。

近年來已經有很多基于貴重金屬超分辨率成像的報道，比如基于銀板的近場超透鏡(J.B.Pendry，Negative?Refraction?Makes?a?Perfect?Lens，Phys.Rev.Lett.，85(18)，2000：3966-3969.)、基于銀板加亞波長光柵的遠場超透鏡(Zhaowei?Liu，et.al.，″Far-field?Optical?Superlens″，Nano?Lett.，7，403，2007.)、以及基于環形結構的雙曲透鏡(Zubin?Jacob，et.al.，“Optical?Hyperlens：Far-fieldimaging?beyond?the?diffraction?limit，”Opt.Express，14(18)，8247-8256(2006).)等。但并不是所有超分辨率成像裝置能完全適用于激光聚焦場合，因為涉及到聚焦必然存在光斑壓縮問題，比如前面提到的銀板超透鏡，僅能實現1∶1成像，而基于光柵的遠場超透鏡只能記錄遠場光譜之后再通過數學方法或特殊裝置重構物體像，因此都無法應用于超分辨率聚焦。只有可實現放大和縮小功能的雙曲透鏡有望為解決這一問題提供了新的思路。雙曲透鏡的特點在于，通過金屬和電介質交替排布，可等價為具有正的角向介電常數ε_θ和負的徑向介電常數ε_r的人工超材料，這種超材料的色散關系因為滿足雙曲線，因此可以讓角向波矢超過k₀的光波在材料中以傳輸波形式自由傳播，加上其環形結構可實現光斑的放大或縮小，因此有望實現超衍射極限的聚焦。

發明內容

針對現有技術中存在的聚焦光點的尺寸受衍射受限的技術問題，本發明的目的是通過一種結構簡單、設計靈活、高度集成的、基于雙曲透鏡的聚焦裝置來實現激光光束的超分辨率聚焦。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：

聚焦透鏡，用于將入射的準直光束轉化為會聚波；

雙曲透鏡，用于傳遞上述會聚波中具有較大角向波矢的光束，最終在聚焦透鏡的焦面處形成亞波長量級的聚焦光點。

所述聚焦透鏡為大數值孔徑的物鏡，結構上采用單透鏡組合或非球面單透鏡，并且透鏡為雙面鍍膜；

所述雙曲透鏡由金屬和電介質材料交替排布而成，每層材料的厚度相同、并遠小于光波波長，各層介質構成同心圓環，且球心位置與聚焦透鏡的聚焦點重合；

所述雙曲透鏡的外環半徑和最內層半圓結構的半徑由聚焦裝置的工作條件決定，其中外環半徑要滿足R₂≥λ₀/4θsinθ，λ₀為工作波長，θ為聚焦透鏡的孔徑角，最內層半圓結構的直徑大約等于需要實現的聚焦光點的大小。

所述雙曲透鏡外環材料為電介質，最內層半圓結構的材料為金屬。

構成所述雙曲透鏡的金屬和電介質在工作波長上，電介質和金屬的介電常數的絕對值大致相等。