專利名稱：半球型多層膜結構納米透鏡的制作方法
技術領域：
本發明應用在納米及生物成像、納米光刻技術及其它納米光學領域中，特別涉及 一種能夠突破衍射極限實現遠場成像的半球型多層膜結構納米透鏡。
背景技術：
透鏡作為成像的一個基本工具，其使用歷史已經超過幾百年，傳統的光學透鏡使 物體發射出的光偏折并投影成像。然而，物體除了發出普通光線外，也會發出攜帶大量信息 的倏逝波，但這種波隨距離增加而呈指數衰減，無法抵達像平面，即為衍射極限。受衍射極 限的影響，即便是所有幾何像差為零的“完美”成像透鏡仍然存在圖形失真，其成像分辨率 不能超過透鏡的半個工作波長，這一現象可以用傅立葉分析理論解釋為攜帶物體信息的 入射光波的傅立葉分量中，較大的橫向分量對應著高頻成分，代表著物體的細節部分；但含
高頻橫向分量的光波因滿足(kx、ky*波矢量k在χ和y方向分量，ω為入射
C
光角頻率、C為光束，傳播方向為Z軸)而成為倏逝波，倏逝波在傳播過程中因指數衰減而 無法到達相面，不能參與成像，造成物體細節部分的丟失，因而普通透鏡的成像總是有缺陷 的。近場探測可以在場的衍射效應表現出來之前獲得場分布，特別是攜帶亞波長結構 高頻信息的倏逝場，這要求將探測器放在距物體小于λ/10(λ為入射光波長)的位置上。 由于樣品和探測器的距離非常小，目前還沒有一種成像系統可用于如此小的距離，所以只 能使用點狀探測器。然而，點狀探測器只能局域地接受光，將光轉換成電流或發射到自由空 間，或通過錐形光纖的尖端等光導器件將信號傳輸到光電管或光電倍增管。由于這一類點 狀探測器的原理是利用局域探測，探測器必須沿著物體表面掃描來得到圖像結構，所以這 類探測器的缺陷是不能同時得到被探測物體的整體形貌。而對于一些高端應用，比如納米 生物成像、探測生物精細結構、納米光刻技術、高密度光存貯等其它納米光學領域中，常常 需要有亞波長(納米量級)的分辨本領，這時普通透鏡的應用將在一定程度上受到限制。基于超材料結構的超級透鏡為解決這一難題，提供了一種全新的思路。2000年，倫 敦皇家學院的著名科學家J. B. Pendry提出擁有負折射率(折射光線落到與常規材料相比 的法線的另外一側)的材料可以捕獲到物體的細節信息，并能將其重新聚焦。這一新穎的 發現突破了衍射極限，引起了國際社會的熱烈響應和廣泛討論，并將在生物醫學的精細實 時成像、高密度電子電路板印刷技術、高速光纖通訊等領域弓I發一場技術革命。
發明內容
技術問題本發明提出一種半球型多層膜結構納米透鏡，采用多層不同材料半球 型膜曲面復合納米結構，能夠突破衍射極限，實現遠場成像。技術方案本發明的半球型多層膜結構納米透鏡，從結構上看，該透鏡包括光源、 遮光層、透光圓孔、半球型透鏡；其中，在遮光層的中間設置一個透光圓孔，半球型透鏡位于遮光層的下面，遮光層覆蓋在半球型透鏡上，光源位于透光圓孔的上方。半球型透鏡由半球殼型電介質層與半球殼型金屬層交替重復設置構成。待測樣品緊貼半球型透鏡的最內層上表面。光源的波段為紫外到紅外波段。本發明的半球型多層膜結構納米透鏡中，待測物體作為點源在全方向上都有輻 射，其輻射光束在入射到半球型多層膜結構納米透鏡內壁時會發生負折射，并且將在透鏡 內沿徑向傳播，使得在普通透鏡中無法傳播的攜帶有精細結構信息的高頻分量可以在本發 明的曲面復合結構的半球型多層膜結構納米透鏡內傳播，并在遠場實現放大成像。有益效果本發明與現有的技術相比具有以下的優點1、本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡與傳統的光學透鏡相比能夠恢復 近場范圍中的高頻信息，實現亞波長成像，突破了衍射極限。2、本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡，可以實現遠場成像，因而可以避 免近場探測所造成的誤差；同時，對于遠場所成的像，我們僅需要通過普通光學設備便可探 測，因此更便于實際操作和應用。3、本發明的半球型多層膜結構納米透鏡與傳統的局域探測器件想比較，即不需要 精密的控制系統，也不需要昂貴且需要經常更換的光纖探頭，操作簡單，價格便宜，并且可 以同時探測被測物體整體形貌，有更廣泛的應用領域，尤其是生物納米實時成像等領域。
圖1是半球型多層膜結構納米透鏡整體結構示意圖。圖2是半球型多層膜結構納米透鏡橫截面示意圖。圖3是模擬結構中采用的半球型多層膜結構納米透鏡橫截面示意圖。圖4是半球型多層膜結構納米透鏡點源入射端電場分布曲線圖。圖5是半球型多層膜結構納米透鏡模擬結構中距離出射端60納米處的電場分布 曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡，從結構上看，該透鏡由光源1、遮光 層2、透光圓孔3、半球型透鏡4構成；其位置關系為遮光層2覆蓋在半球型透鏡4上。本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡能夠突破衍射極限，實現遠場放大， 我們通過數字模擬來證明。我們采用工作波長為365納米的紫外激光器，電介質三氧化二 鋁的介電常數為ε d = 3. 217，由于金屬銀是色散介質，根據金屬銀的drude色散模型<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，ω為入射光角頻率，金屬內部等離子共振頻率，為金屬內部振蕩 頻率。我們得出，在工作波長為365納米的紫外激光器的照射下，金屬銀的介電常數為εω =-2. 4012+0. 2488i。由于存在衍射極限，對于傳統的光學顯微鏡，其最小分辨率約為入/ NA = 260納米(NA為光學顯微鏡的數值孔徑，NA = 1. 4)。為了使模擬方便起見，我們在本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡內第一層電介質三氧化二鋁層上覆蓋一層半球殼型金屬層，材料為金屬鉻，厚度為30納米，其結構如圖3所示，同時，在半球殼型金屬鉻層 上設置兩個半徑40納米的圓形通光孔徑來代替兩個被探測的物體，兩個圓形通光孔徑的 間距為150納米，即0. 41倍工作波長，其間距值小于衍射極限值的大小，因此，不能被常規 光學顯微鏡所探測。 本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡，在工作波長為365納米的紫外激光器的照射下，光束通過透光圓孔在內壁照射待測樣品，使得在普通透鏡中無法傳播的攜帶 有精細結構信息的高頻分量可以在本發明的曲面復合結構的半球型多層膜結構納米透鏡 內傳播，并在遠場實現放大成像。圖4所示為半球型多層膜結構納米透鏡入射端電場的強 度分布，圖5所示為半球型多層膜結構納米透鏡模擬結構距離出射端60納米處的電場分布 曲線圖。從圖5中，我們可以看出，利用本發明設計的半球型多層膜結構納米透鏡，在出射 端，樣品的間距被放大，其值約為700納米，大于瑞利分辨極限，因此，可以使用傳統光學結 構進行分辨，并且出射的光束可以由普通的凸透鏡聚焦，使其清晰成像。
權利要求
一種半球型多層膜結構納米透鏡，其特征在于該透鏡包括光源(1)、遮光層(2)、透光圓孔(3)、半球型透鏡(4)；其中，在遮光層(2)的中間設置一個透光圓孔(3)，半球型透鏡(4)位于遮光層(2)的下面，遮光層(2)覆蓋在半球型透鏡(4)上，光源(1)位于透光圓孔(3)的上方。
2.根據權利要求1所述的半球型多層膜結構納米透鏡，其特征在于半球型透鏡(4)由 半球殼型電介質層(41)與半球殼型金屬層(42)交替重復設置構成。
3.根據權利要求1所述的半球型多層膜結構納米透鏡，其特征在于待測樣品(5)緊貼 半球型透鏡(4)的最內層上表面。
4.根據權利要求1所述的半球型多層膜結構納米透鏡，其特征在于光源(1)的波段為 紫外到紅外波段。
全文摘要
本發明所提出的半球型多層膜結構納米透鏡包括光源(1)、遮光層(2)、透光圓孔(3)、半球型透鏡(4)；其中，在遮光層(2)的中間設置一個透光圓孔(3)，半球型透鏡(4)位于遮光層(2)的下面，遮光層(2)覆蓋在半球型透鏡(4)上，光源(1)位于透光圓孔(3)的上方。半球型透鏡(4)由半球殼型電介質層(41)與半球殼型金屬層(42)交替重復設置構成，待測樣品(5)緊貼半球型透鏡(4)的最內層上表面。光源(1)的波段為紫外到紅外波段。本發明應用在納米及生物成像、納米光刻技術及其它納米光學領域，提出一種遠場成像透鏡，采用多層不同材料半球型膜曲面復合結構，能夠突破衍射極限，探測被測物體的整體形貌，最終實現遠場成像。
文檔編號G02B3/00GK101799566SQ201010145048
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月12日 優先權日2010年4月12日
發明者吳東岷, 張彤, 薛曉軍, 陳秋月 申請人:東南大學