获得阵列纵向偏振亚波长超分辨率光束的研究

径向偏振光束经高数值孔径显微物镜聚焦后可以获得焦深大于波长，光斑小于波长的纵向偏振光束。这类光束在光学数据存储，原子加速，材料处理，光刻技术，纳米微粒操控，生物医学成像，拉曼光谱技术，二次谐波产生，近场扫描和激光共焦显微技术等方面有很多应用。在实际应用时，对焦深和光斑大小提出了更高的要求。目前用多环位相带调制或环形孔径滤波实现的最长焦深为四个波长，最小光斑直径为零点四三个波长。本项目理论研究和设计对径向偏振入射光束进行径向相位调制和方位角振幅调制相结合的方法在焦点附近实现光斑更小，焦深更长，纵向偏振分量纯度更高的阵列纵向偏振光束；实验研究用两束线偏振光束干涉获得较理想的径向偏振光束，并对聚焦后的光束强度分布利用纳米位移平台将分子偶极矩扫过光斑，通过探测荧光效率进行测量验证；反过来，在光强分布已知的情况下进一步探索该阵列纵向偏振光束测量未知分子偶极距方面的应用。

亚波长纳米光斑或阵列在光学数据存储，人工微结构材料制作，高分辨率光刻技术，纳米微粒操控，超高分辨率生物医学成像，微光电子器件等领域有非常广泛的应用。这种高度压缩和增强的光斑可以通过入射高数值孔径物镜的光束进行相位，振幅和偏振态的调制，表面等离子体透镜，纳米粒子尖端附近的局域光场，以及材料的非线性效应等方法和途径获得。在本国家自然科学基金面上项目资助下我们开展了以下四个方面的研究和探索：首先，我们提出并在实验上产生了基于计算全息方法的径向偏振多高斯光束叠加产生的环形平顶光束和径向调制径向偏振的非平顶环形光束，理论上利用Richard-Wolf 矢量衍射积分公式数值模拟了经过高数值孔径聚焦后的焦点光强度分布。并计算了纵向偏振分量的比重，横向光强分布的半高全宽度。结果表明：半高全宽度为零点四个波长；纵向偏振分量的比重为86%. 这是目前显微物镜聚焦径向偏振光束可以获得的最小最纯纵向偏振光束。这种纵向偏振光束对金属针尖有最强的增强效应。可以用于不带孔径的近场扫描光学显微镜探针的照明；其次，我们研究了将高数值孔径物镜与刻蚀在贵金属薄膜表面的周期性环形缝组成的表面等离子体透镜以及位于中心位置的圆锥形纳米粒子尖端附近的局域场结合的方法，优化设计并利用电子束蒸发镀膜和聚焦离子束加工制作了一个集成的纳米光场压缩和增强系统。同时用Richard-Wolf 矢量衍射积分公式和时域有限差分法FDTD软件模拟了优化设计的纳米聚焦系统的在径向偏振光照明下的光场压缩和增强效果。结果表明，该集成系统可以获得半高全宽度为10纳米以下的光场。与入射光场强度比较，可以增强6个数量级以上。该集成纳米系统获得的光斑可以用于超高分辨率荧光激发扫描成像和高分辨率表面等离子体波纳米光刻；第三，研究了由三个空间上沿径向错开的，园偏振涡旋光束叠加组成的光束在高数值孔径物镜聚焦的光强分布。结果我们得到了亚波长结构的螺旋形光斑。然后，将后孔径平面分割成环形区域，通过施加使光斑沿光轴位移的不同附加相位，数值模拟表明，可以得到沿光轴排列的多个亚波长螺旋光斑。结果可以用于人工微结构三维光刻；最后，我们利用自由空间中特殊设计的方形孔周期性结构的分数泰伯效应和在波矢空间物镜聚焦的傅里叶变换特性，获得了通过物镜聚焦产生亚波长阵列光斑的相位调制板。如果将此相位叠加在三个不同拓扑荷的圆偏振和空间错开的涡旋光束上，将可以产生多种形状光斑的