專利名稱：一種超透鏡的調諧方法
技術領域：
本發明涉及用在微納米成像、生物成像、納米光刻技術及其它納米光學領域中的一種超透鏡及其調諧方法，具體來說，涉及一種超透鏡及其調諧方法。
背景技術：
最近，基于金屬-介質組合材料的超透鏡技術引起了人們的廣泛關注，原因在于超透鏡可突破傳統的光學衍射極限，對亞波長量級的目標物成像或放大。早期的超透鏡，在功能上主要是對目標物等比例成像，因此可用于納米光刻等，近年來，超透鏡技術進一步發展，已可對亞波長的目標物進行放大，其應用領域拓展到生物DNA分子成像等領域。可對目標物放大的超透鏡主要是雙曲透鏡，在設計原理上，該種透鏡利用平滑的雙曲色散特性，使得其能夠支持非常大的空間頻率的波失同時擁有相同的相速度。雙曲透鏡可以被集成到傳統的顯微鏡中，使得其能擴大衍射極限的能力，并在實時顯微成像領域中開辟了一塊新天地。傳統的光學成像系統的分辨率由于本身固有的性質而被衍射極限所限制，因此， 物體中包含的小于半個波長的物體的空間信息容即高頻部分由于其在進場范圍內會迅速衰減而不能被投射到遠場。盡管近場掃描光學顯微鏡可以通過收集非常接近物體的消逝場而突破這個限制，但是其掃描速率慢以及掃描針尖帶來的不可忽視的近場擾動阻礙了近場掃描光學顯微鏡在實時成像方面以及生物系統的應用。2000年，英國光理論學家 J. B. Pendry提出的能夠在近場范圍實現實時成像的超透鏡是朝向克服衍射極限的實時成像的第一步；更重大的突破隨著光學雙曲透鏡概念的出現。2006年，^ibin Jacob首次提出了雙曲透鏡(Hyperlens)的概念，他利用金屬和介電質材料交替的層狀結構來讓倏逝波在遠場區域恢復成像，并且不需要再對透鏡的出射端進行處理就能夠直接被觀測到。這種設計在曲面結構上交替的介質層和金屬層這種基于超材料的光學器件獲得了強烈的光學各向異性的性質，這樣可以支持很大空間頻率的傳導波，同時由于其圓柱形結構，使得波在向外傳播的過程中其橫向波失能夠得到壓縮使其沿著徑向傳播。因此，物體中所包含的高頻信息的細節部分通過這個雙曲結構將被放大，使其大于衍射極限的同時能夠被傳輸到遠場。但是以上所有的實驗證明的雙曲透鏡都限制在一維的放大和紫外的波長，然而在許多實際的成像應用中，更多的情況是能夠在可見范圍內的實時二維成像。2010年，美國加州大學伯克利分校的^iang Xiang團隊提出了能夠實現二維實時成像的球型雙曲超透鏡結構， 其能夠突破衍射極限并在可見光范圍能實現二維的實時成像，不需要光學掃描或者成像的恢復重建，將倏逝波轉變成傳導波，在遠場范圍內生成放大的像。其二維實時成像的本領為光學掃描探針顯微鏡以及在或細胞中的生物分子學的實時成像開辟了新的大道。經過十余年的研究，超透鏡成像技術的理論研究和實驗研究均以發展到一個新的階段。然而，為了使該技術真正實用化，還有很多關鍵的科學問題需要解決，其中，最為關鍵的問題就是如何對超透鏡的成像進行實時調諧，使其能在結構參數不改變的情況下工作在不同的波段，從而進行清晰、高分辨率的完美成像。尤其，常用的超透鏡的成像方法無法對動態移動的目標物實現清晰、高分辨率的完美成像。
發明內容
技術問題本發明所要解決的技術問題是提供一種超透鏡的調諧方法，在利用該超透鏡成像時，能夠在超透鏡結構參數不改變的情況下，對超透鏡實時調諧，工作在不同的波段，對目標物進行清晰、高分辨率的完美成像。技術方案為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是超透鏡的調諧方法， 包括以下步驟第一步制作超透鏡；第二步將目標物放置在超透鏡的表面附近；第三步 利用外部設備對超透鏡進行調諧，使第二步中的目標物呈現清晰的像。進一步，在所述的第三步中，外部設備為溫控裝置和溫控加熱板，將溫控加熱板放置在超透鏡的底部，并將溫控裝置和溫控加熱板通過導線連接；通過調節溫控裝置升溫和降溫，改變金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。進一步，在所述的第三步中，外部設備為電流和電壓幅度都可以調節的電源，用金屬導線連接電源和超透鏡中的金屬層薄膜，使得超透鏡中的金屬層薄膜、導線和電源構成一閉合電路；通過調節輸入金屬層薄膜中的電信號的電壓幅度大小，來控制超透鏡的溫度， 改變介質層薄膜中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。進一步，在所述的第三步中，外部設備為可以調節的外加光源，通過外加光源照射超透鏡的表面，利用光產生的熱量對超透鏡加熱，同時控制外加光源照射的強度，改變金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，進而調諧超透鏡的成像效果。進一步，在所述的第三步中，外部設備為電信號源，用金屬導線連接電信號源和超透鏡中的金屬層薄膜，使得超透鏡中的金屬層薄膜、導線和電信號源構成一閉合電路；通過調節輸入金屬層薄膜中的電信號的電壓大小，改變金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。 進一步，在所述的第三步中，外部設備為可以調節磁場強度的磁體，將超透鏡放置在磁場中，通過改變磁體產生的磁場的強度，控制金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。有益效果與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下的優點
1.在超透鏡結構參數不改變的情況下，對超透鏡實時調諧，工作在不同的波段，對靜止目標物進行清晰的完美成像。目前超透鏡的成像方法是利用單波長光源照射超透鏡表面的目標物，在超透鏡的另一側成像，成像清晰度僅與超透鏡的結構參數有關，而超透鏡結構參數已固定，在成像過程中無法改變。因此該方法不具有調諧功能，因此成像清晰度無法調節。另外，從超透鏡的原理上分析，超透鏡本身也是不具備調諧焦點的功能。本技術方案提出的超透鏡的調諧方法，通過利用外部設備，對超透鏡施加外加電場、溫度、光強或者磁場等因素的影響，并實時調節外加電場、溫度、光強或者磁場的強度，以此來實時調節超透鏡的金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，進而實現對超透鏡進行實時調諧，使超透鏡的聚焦位置定位在最佳位置，使靜止目標物獲得最佳的成像效果。2.本發明提供的調諧方法可以利用多波長的光源對目標物進行清晰的完美成像。 目前超透鏡的成像方法不能夠對超透鏡的有效光程實現實時調諧。這樣，只能用單一波長
4對目標物成像，采用傳統的成像方法和超透鏡，如果更換光源的波長即無法對目標物進行清晰的成像。而本技術方案提供的方法可以對超透鏡的有效光程實現實時調諧。這樣，在成像過程中，通過實時調節外加電場、溫度、光強或者磁場的強度，以此來實時調節超透鏡的金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，使超透鏡的有效光程改變， 將不同波長的光源調諧到其最佳的有效光程范圍內，定位在最佳位置并獲得最佳的成像效
果ο3.本發明提供的調諧方法可以對移動目標物進行清晰的完美成像。移動目標物由于在動態變化過程中，所以它的成像焦點位置是動態變化的。目前超透鏡的成像方法不能夠對超透鏡實現實時調諧。這樣，對于移動目標物，采用傳統的成像方法和超透鏡，無法對目標物進行清晰的成像。而本技術方案提供的方法可以對超透鏡實現實時調諧。這樣，對于移動目標物，在成像過程中，通過實時調節外加電場、溫度、光強或者磁場的強度，以此來實時調節超透鏡的金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，使超透鏡的聚焦位置根據移動目標物的不同位置，實時改變，使移動目標物獲得最佳的成像效果。4.實現本發明提供的調諧方法形式多樣。由于金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數可以通過熱光效應、電光效應、或者磁光效應進行調節，并且每種效應的實現方式也是多樣的，所以本技術方案的調諧方法可以通過多種裝置實現。例如， 通過溫控裝置和溫控加熱板對透鏡進行加熱，利用熱光效應來調節金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數；通過電流和電壓幅度都可以調節的電源，調節進入金屬層薄膜中的電壓幅度，利用電光效應來調節介質層薄膜中的介質材料的介電常數；通過可以調節的外加光源照射超透鏡的表面，利用熱光效應來調節金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數；通過電信號源與金屬層薄膜的連接，利用熱光效應來調節金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數；通過可以產生磁場的裝置，利用磁光效應來調節金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數。
圖1是本發明中使用的平板形超透鏡的結構剖視圖。圖2是本發明中使用的圓柱形超透鏡的結構剖視圖。圖3是本發明中使用的半球形超透鏡的結構示意圖。圖4是滿足超透鏡成像條件的色散曲線示意圖。圖5是不滿足超透鏡成像條件的色散曲線示意圖。圖中有金屬層薄膜1、介質層薄膜2。
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的描述。本發明的一種超透鏡的調諧方法，包括以下步驟第一步制作超透鏡。在該步驟中，如圖1、圖2和圖3所示，超透鏡是由金屬層薄膜1和介質層薄膜2交替組成。介質層薄膜2由具有光學透明性的介質材料制成，優選由二氧化硅，或者氧化鋁介質材料制成。第二步將目標物放置在超透鏡的表面附近。
在該步驟中，目標物是移動的物體，或者靜止的物體。第三步利用外部設備對超透鏡進行調諧，使第二步中的目標物呈現清晰的像。在該步驟中，由于本技術方案是利用熱光效應、電光效應、磁光效應等高階非線性效應調節金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，實現對超透鏡成像聚焦的調節，所以外部設備可以有多種形式。因為每種效應的實現方式也是多樣的，所以本技術方案的調諧方法可以通過多種不同裝置實現。采用熱光效應調節金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，外部設備可以是溫控裝置和溫控加熱板。將溫控加熱板放置在超透鏡的底部，并將溫控裝置和溫控加熱板通過導線連接，形成一閉合電路。通過調節溫控裝置升溫和降溫，來改變金屬層薄膜1中的中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。外部設備可以是電信號源。用金屬導線連接電信號源和超透鏡中的金屬層薄膜1，使得超透鏡中的金屬層薄膜1、導線和電信號源構成一閉合電路。通過調節電信號源流出的電流大小，來控制超透鏡的溫度，利用熱光效應改變金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。外部設備還可以是強度可以調節的外加光源。通過外加光源照射超透鏡的表面，利用光產生的熱量對超透鏡加熱，同時控制外加光源照射的強度，改變金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，進而調諧超透鏡的成像效果。采用電光效應調節介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，外部設備可以是電流和電壓幅度都可以調節的電源。用金屬導線連接電源和超透鏡中的金屬層薄膜1，使得超透鏡中的金屬層薄膜1、導線和電源構成一閉合電路。通過調節輸入金屬層薄膜1中的電信號的電壓幅度大小，改變介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。采用磁光效應調節金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，外部設備可以是磁場強度可調節的磁體。將超透鏡放置在磁場中，通過改變磁體產生的磁場的強度和磁場方向，控制金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。以下論述通過改變金屬層薄膜1中的金屬和介質層薄膜2中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果的原理。我們以圖2的圓柱形超透鏡為例來說明。根據等效介質理論，要想實現超透鏡的完美成像，其等效介電常數必須滿足式(1)和式(2)
權利要求
1.一種超透鏡的調諧方法，其特征在于，該調諧方法包括以下步驟第一步制作超透鏡；第二步將目標物放置在超透鏡的表面附近；第三步利用外部設備對超透鏡進行調諧，使第二步中的目標物呈現清晰的像。
2.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第一步中，超透鏡是由金屬層薄膜(1)和介質層薄膜(2)交替組成。
3.按照權利要求2所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，所述的介質層薄膜(2)是由具有光學透明性的介質材料制成。
4.按照權利要求3所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，所述的介質材料是二氧化硅，或者氧化鋁。
5.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第二步中，目標物是移動的物體，或者靜止的物體。
6.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第三步中，外部設備為溫控裝置和溫控加熱板，將溫控加熱板放置在超透鏡的底部，并將溫控裝置和溫控加熱板通過導線連接；通過調節溫控裝置升溫和降溫，改變金屬層薄膜(1)中的金屬和介質層薄膜(2)中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。
7.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第三步中，外部設備為電流和電壓幅度都可以調節的電源，用金屬導線連接電源和超透鏡中的金屬層薄膜 (1)，使得超透鏡中的金屬層薄膜(1)、導線和電源構成一閉合電路；通過調節輸入金屬層薄膜(1)中的電信號的電壓幅度大小，來控制超透鏡的溫度，改變介質層薄膜(2)中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。
8.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第三步中，外部設備為可以調節的外加光源，通過外加光源照射超透鏡的表面，利用光產生的熱量對超透鏡加熱，同時控制外加光源照射的強度，改變金屬層薄膜(1)中的金屬和介質層薄膜(2)中的介質材料的介電常數，進而調諧超透鏡的成像效果。
9.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第三步中，外部設備為電信號源，用金屬導線連接電信號源和超透鏡中的金屬層薄膜(1 )，使得超透鏡中的金屬層薄膜(1)、導線和電信號源構成一閉合電路；通過調節輸入金屬層薄膜(1)中的電信號的電壓大小，改變金屬層薄膜(1)中的金屬和介質層薄膜(2)中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。
10.按照權利要求1所述的超透鏡的調諧方法，其特征在于，在所述的第三步中，外部設備為可以調節磁場強度的磁體，將超透鏡放置在磁場中，通過改變磁體產生的磁場的強度，控制金屬層薄膜(1)中的金屬和介質層薄膜(2)中的介質材料的介電常數，調諧超透鏡的成像效果。
全文摘要
本發明公開了一種超透鏡的調諧方法，包括以下步驟第一步制作超透鏡；第二步將目標物放置在超透鏡的表面附近；第三步利用外部設備對超透鏡進行調諧，使第二步中的目標物呈現清晰的像。本技術方案提出的超透鏡的調諧方法，通過利用外部設備，對超透鏡施加外加電場、溫度、光強或者磁場等因素的影響，并實時調節外加電場、溫度、光強或者磁場的強度，以此來實時調節超透鏡的金屬層薄膜中的金屬和介質層薄膜中的介質材料的介電常數，進而實現對超透鏡進行實時調諧，使超透鏡的聚焦位置定位在最佳位置，使目標物獲得最佳的成像效果。
文檔編號G02F1/29GK102162965SQ201110099289
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者張彤, 張曉陽, 陳秋月 申請人:東南大學