亚光波长光子筛基超振元件远场超衍射聚焦机理及特性研究

Optical super-oscillatory is an idea technique to achieve farfield focus beyond diffraction limit. Until recently, few research work has been done on reducing the intensity of the sidelobe of the focus. We introduce the idea of photon sieves into the design of optical super-oscillatory. The phase and the amplitude of the Electromagnetic(EM) field can be tailored by modifying the radii and the positions of the holes. The resolution of the super-oscillatory photon sieve can be improved and the sidelobe can be subdued. On the other hand, the performance of this super-oscillatory photon sieve can be further improved by illuminating it with a polarized light and by using apodization . Based on rigorous EM theory, the physical model of subwavelength focusing of this super-oscillatory photon sieve will be established. This optical element will be designed, fabricated and the performance will be characterized by SNOM and photoresist exposure. The concept of super-oscillatory photon sieve will be verified. This project will enrich the knowledge of the physical mechanism of sub-wavelength focusing, and provided useful information on farfield detection and manipulation in nano optics.

光学超振是实现远场超衍射聚焦光斑的理想手段。目前对其固有的背景噪声研究还比较欠缺。本项目提出将光子筛基新型结构引入光学超振的新思路，利用环带状随机分布的小孔对透射光场进行位相和振幅的调控。一方面在设定工艺条件下提高超衍射聚焦光斑的分辨率，另一方面采用窗函数调制环带小孔数量，增加一个光学设计自由度,达到有效抑制旁瓣的目的。此外, 使用偏振光照明进一步提高远场超衍射聚焦性能。拟基于严格电磁场理论，建立亚光波长光子筛基超振元件聚焦的物理模型，在限定加工容限下研究结构逆向设计的方法，探索偏振光照明条件下远场超衍射聚焦的特性和规律，集成制作出超振光子筛，并利用近场光学显微镜和光刻胶曝光重构法对聚焦特性进行检测，验证亚光波长光子筛基超振元件新概念。该研究将有助于丰富我们对超衍射聚焦物理机制的认识，对其在纳米光学远场检测和操控等领域的应用具有指导意义。

光学超振是一种新原理的器件，能够实现远场超衍射聚焦光斑。本项目将光子筛基新型结构引入光学超振，利用环带状随机分布的小孔对透射光场进行位相和振幅的调控。使用理论分析的方法，分析了光学超震荡光子筛的特性，并利用FDTD以及RCWA方法对齐性能进行了模拟。一方面在设定工艺条件下提高了超衍射聚焦光斑的分辨率，另一方面采用窗函数调制环带小孔数量，增加了一个光学设计自由度,达到有效抑制旁瓣的目的。此外, 使用偏振光照明进一步提高远场超衍射聚焦性能。基于严格电磁场理论，建立了亚光波长光子筛基超振元件聚焦的物理模型，在限定加工容限下研究结构逆向设计的方法，探索了偏振光照明条件下远场超衍射聚焦的特性和规律。开发了全套的光子筛集成制作工艺，使用了包括电子束光刻，光学光刻，X射线光刻等方法，集成制作出了各型光子筛，并使用光学手段检测起特性，验证了亚光波长光子筛基超振元件新概念。本项目的研究成果丰富了对超衍射聚焦物理机制的认识，对其在纳米光学远场检测和操控等领域的应用具有指导意义