长焦深高分辨聚焦的基础理论研究

提出了实现长焦深的广义焦距函数，研究广义焦距函数设计二维、三维折衍长焦深元件的有效性及相应的参数空间，设计具有长焦深特性的折、衍光学元件。在此基础上，选择合理的滤波方案，利用滤波在保留长焦深特性的基础上压缩聚焦光斑。为了获得最佳聚焦光斑尺寸和焦深，引入优化算法对滤波器进行优化。通过理论计算，分析偏振态对压缩聚焦光斑的作用以及对滤波器性能的影响。建立焦深、光斑尺寸与广义焦距函数、滤波器及偏振之间的函数关系，为实现长焦深高分辨聚焦提供理论依据。根据优化设计的结果，滤波和偏振态的控制最终均通过二元光学器件实现，利用光刻和纳米压印技术制作相应的二元器件。把二元滤波器、入射光偏振和长焦深折射、衍射元件相结合，实现长焦深高分辨聚焦。通过试验来验证元器件的光学特性，以期该元器件能够改善激光加工的质量、提高光学数据存储和超精密测量精度。

本项目基于波前相位调制，以实现高分辨率长焦深聚焦为目标，围绕项目计划书中的：1）提出广义焦距函数分析广义焦距函数的使用范围，实现二维、三维折射衍射长焦深元件设计；2）提出滤波方案，设计滤波器对长焦深元件的聚焦光斑进行研所，利用算法对滤波器进行优化，提高光斑质量；3）建立焦深、光斑尺寸和焦距函数、滤波器之间的函数关系等三个内容开展研究工作，取得如下研究成果：. 1、针对长焦深实现，利用广义焦距函数设计二维、三维折射衍射光学元件并分析其性能，确定长焦深的参数范围。其结果表明：广义焦距函数能够有效设计二维/三维折/衍射长焦深光学元件，所设计的光学元件对入射平行光聚焦后，其焦深至少提高2倍，其横向分辨率基本保持不变；同时还研究了在复色光广义焦距函数的有效性。. 2、结合偏振光，提出了基于余弦函数的复振幅滤波器模型，与高数值孔径聚焦系统相结合，在保持高分辨率前提下理论上可以实现任意焦深扩展。仿真结果表明：在横向分辨率0.8个波长时，焦深扩展至9个波长。同时，还对该复振幅滤波器的加工进行了研究，所设计的复振幅滤波器可以分解为透过率器件和二元相位器件，从而可以利用灰度掩模技术和压印技术来完成相应器件的加工，为长焦深高分辨率聚焦提供工艺基础。. 3、在余弦函数基复振幅滤波器的基础上提出了改进的复振幅滤波器，改进的复振幅滤波器具有更多的参数，从而为高分辨率长焦深设计提供更多的自由度，易于实现更高的横向分辨率；借助优化算法，确定改进的复振幅滤波器中的各参数值。改进的复振幅滤波器在实现焦深扩展的同时，能够获得极高的横向分辨率。并且利用改进的复振幅滤波器获得的长焦深高分辨率聚焦光束在整个焦深范围内具有非常均匀的强度分布。数值结果表明：利用改进的复振幅滤波器，能够获得横向分辨率0.36个波长，焦深10个波长，在焦深范围内强度均匀性超过99%。. 在完成上述研究的情况下，还讨论了研究了利用压印技术来制造复振幅滤波器和基于广义焦距函数的衍射透镜、微透镜中的基本科学问题。并对长焦深高分辨率聚焦光束在共焦显微技术中的应用也进行了相应的研究。. 上述研究成果，共计发表文章10篇，其中包括发表在国际光学杂志Optics Letters、Optics Express等，高水平SCI检索论文9篇，申请发明专利5项，在读研究生2名，在读博士研究生1名。