超分辨光学成像用负折射率材料的制备研究

该项目旨在研究大面积分布的人工负折射率材料的制备技术及其在可见光波段成像中的应用。具体方法是首先利用兰州重离子加速器的宽束重离子轰击基底材料并经化学腐蚀处理获得纳米孔阵列结构，然后采用金属镀膜形成阳极板，再结合电化学生长技术从纳米孔中生长出金属纳米线阵列结构。由于采用的是宽束重离子加速器轰击基底材料，因而可获得大面积分布的纳米孔阵列结构。然后利用原子力显微镜、近场扫描光学显微镜和光谱仪等手段对制备的负折射率材料进行表征。最后通过近场成像实验获得超分辨成像，即空间分辨率突破衍射受限的成像。研究内容分为负折射率材料的优化设计、制备、表征、及成像四个部分。该方法的实现将突破目前的大面积可见光波段负折射率材料的制备难题，其研究成果将意味着光学领域的一个新的突破，对纳光子器件在超分辨成像、传播及传感等领域的应用具有重要的意义；同时可加速纳光子器件的研究尽快由基础走向实际应用，无疑具有潜在的市场价值。

本项目目前已经结题，圆满完成了任务书中的各项内容。具体完成如下研究内容：.(1) 采用严格的电磁场理论及其数值计算方法，深入研究了负折射率材料在可见光波段的成像特性；在申请者前期超分辨透镜研究工作基础上，探索采用特定的微纳金属结构激元如椭圆、矩形等形状的纳米线以及优化纳米线阵列的周期、纳米线长度和结构厚度等方案，并结合SPP表面波、偏振效应、以及近场倏失波干涉等综合效应对远场传播光束的影响，进一步研究了提高空间分辨率的可行性和具体途径。.(2) 通过FDTD等算法软件，对设计的负折射率材料进行三维电磁场仿真分析，通过选定结构参数如金属纳米线的形状、直径/边长/周长、及阵列周期、厚度等对几何结构参数进行了优化，寻找到最佳的匹配关系并最终确定纳米金属结构的几何量参数为：纳米线直径30纳米、长度15微米、阵列分布周期70纳米，材料为金；研究表面等离子体波在纳米结构中传输的微观机理，并设计出相应的具有良好加工工艺性的人工负折射率材料。.(3) 根据建立的理论模型与设计结果，利用重离子加速器轰击及化学腐蚀方法摸索工艺条件并制做出样品，得到大面积分布的纳米孔阵列结构，再结合金属镀膜及电镀成形方法得到金纳米线阵列样品。.(4) 实验测试方面，首先对现有的近场扫描光学显微镜进行了升级改造，包括搭建新的斜入射照明系统以及购买新的光源及光纤耦合系统。此外，还改造了光纤光谱仪的接口，使之可与近场扫描光学显微镜连用，测试近场区域光谱。在此基础上对制作的样品进行近场表征，得到的结果显示该样品确实具有负折射的偏折效果。. 项目开展期间，共发表SCI检索论文13篇，独立撰写中文专著一部：《纳光子学及其应用》修订版，该书目前已被作为电子科技大学及中科院长春光机所研究生专业课教材使用。培养研究生9名，其中6名已经毕业。. 此外，与加拿大英属不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）、香港城市大学、及新加坡国立大学开展了相应的国际合作与学术交流。