实现超分辨聚焦的复合偏振器和复振幅滤波器设计与加工的研究

For the diffraction limit in a conventional focusing optical system, the applicant propose a composite polarizer and complex amplitude filter to achieve super-resolution focusing. Based on the vectorial diffraction theory, the mathematic model of the composite polarization and their focusing field distribution will be established. Therefore, one can determine the region’s polarization and design a composite polarizer. A trigonometric function based complex amplitude filter will proposed. The physical background of the proposed complex amplitude filter can be clarified by Euler theory. Once the primary function and their quantity is given, the design of complex amplitude filter will be completed and we will realize the super-resolution focusing. A hybrid genetic particle swarm optimization is applied to solve the issue of convergence speed and local solution. The proposed optimization algorithm is fast convergence, global optimization and precise. The composite polarizer and complex amplitude filter will be fabricated in one device by using nanoimprint technology and then we will realize the focusing field. Our goals are the design and fabrication of composite polarizer and complex amplitude filter, design of hybrid genetic particle swarm optimization, and realize super-resolution focusing.

针对传统光学系统无法克服衍射极限聚焦的问题，提出利用复合偏振器和复振幅滤波器实现超分辨聚焦。为实现这一目标，基于矢量衍射理论，建立复合偏振态和聚焦场关系的数学模型，确定复合偏振器区域划分原则，完成复合偏振器设计。研究基于欧拉原理的三角函数基复振幅滤波器，使滤波器具有明确的物理意义。结合复合偏振器，确定滤波器基函数的形式和数目，完成复振幅滤波器设计，实现超分辨聚焦场。针对复合偏振器和复振幅滤波器优化中，现有优化算法速度慢、易陷入局部解的问题，提出以粒子群优化理论为框架的遗传-粒子群联合算法。实现迭代步数小、速度快、具有全局搜索能力、优化结果精度高的优化设计。并利用纳米压印技术制备具有复合偏振器和复振幅滤波多功能合一器件，保证实现超分辨聚焦。本项目将完成复合偏振器设计、复振幅滤波器设计、遗传-粒子群联合算法研究、所设计器件的加工，最终实现超分辨聚焦。

针对传统光学系统无法克服衍射极限聚焦的问题，本项目提出利用复合偏振和复振幅滤波实现超分辨聚焦。基于矢量衍射理论，建立了复合偏振态和聚焦场关系的数学模型，实现复合偏振和复合偏振器设计。研究了基于欧拉原理的三角函数基复振幅滤波器，结合复合偏振，确定滤波器基函数的形式和数目，完成复振幅滤波器设计，实现超分辨聚焦场。针对复合偏振和复振幅滤波器优化中，现有优化算法速度慢、易陷入局部解的问题，提出以粒子群优化理论为框架的遗传-粒子群联合算法，实现迭代步数小、速度快、具有全局搜索能力、优化结果精度高的优化设计。利用微纳加工技术制备具有复合偏振复振幅滤波器，实现了超分辨聚焦，并进行了相应的测试实验和光刻实验。本项目还提出了利用超构表面实现超分辨聚焦的方案，基于贝塞尔光束和超表面相位调制，实现了偏振可调和多焦点阵列化超分辨聚焦的超构表面。本项目的研究，解决了衍射受限聚焦的部分问题。为小型化偏振成像、显微成像以及生物传感提出了可靠的方法，在生物传感、智能手机和偏振显微等方面具有重要的应用前景。