光學成像系統(tǒng)存在衍射極限,源于攜帶高頻信息的倏逝波衰減而無法參與成像。表面等離子體（Surface Plasmons,SP）具有倏逝波耦合放大等性質,使得對倏逝波的操控和調節(jié)成為可能。隨著微細加工技術不斷提高,表面等離子體亞波長光學得到快速發(fā)展,大量關于單層金屬膜層和金屬-介質多層膜等超材料的研究涌現(xiàn)于世。利用超材料激發(fā)表面等離子體,操控倏逝波振幅和相位等信息,實現(xiàn)超分辯成像,成為了當前光學領域研究的重點之一。本文就光頻雙曲色散超材料的深亞波長成像原理和方法展開深入的理論及實驗研究,論文的主要研究內容和成果包括:1.基于光頻超衍射材料的近場增強成像方法研究。根據(jù)光頻超衍射材料的光波傳輸行為及空間頻譜濾波機理,設計了介電常數(shù)相匹配的Al/MgF₂和ZrO₂/Al多層膜結構分別用于光刻和顯微成像。結合Ag層SP耦合放大效應,提出一種實現(xiàn)近場場強增強的體等離子體結構照明源的設計方法（bulk plasmon illumination,BPI）。對于表面等離子體腔超透鏡（plasmonics cavity lens）成像,加載Ag層的BPI相比于無A... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)四川省

【文章頁數(shù)】：137 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 衍射極限
    1.3 超透鏡及光刻成像的研究現(xiàn)狀及進展
        1.3.1 平面超透鏡(Superlens)
        1.3.2 曲面超透鏡(Hyperlens)
    1.4 表面顯微成像的研究現(xiàn)狀和進展
        1.4.1 全內反射熒光顯微技術
        1.4.2 表面等離子體顯微術
    1.5 負折射率材料成像研究現(xiàn)狀和進展
    1.6 論文研究內容及章節(jié)安排
第2章 表面等離子體基礎
    2.1 表面等離子體存在的基本條件
    2.2 表面等離子體的基本電磁特性
        2.2.1 金屬材料的Drude模型
        2.2.2 表面等離子體的色散模型及特征參數(shù)
    2.3 金屬-介質交替薄膜材料的等效介質理論分析
    2.4 表面等離子體激發(fā)方式
        2.4.1 棱鏡耦合激發(fā)
        2.4.2 光柵耦合激發(fā)
        2.4.3 表面缺陷激發(fā)
        2.4.4 其他激發(fā)方式
    2.5 電磁場計算方法
        2.5.1 時域有限差分法
        2.5.2 有限元法
    2.6 本章小結
第3章 基于光頻超衍射材料的近場增強成像方法研究
    3.1 應用于光刻成像的BPI結構設計
        3.1.1 BPI激發(fā)結構設計原理
        3.1.2 BPI照明下表面等離子體腔超透鏡的成像仿真
    3.2 應用于顯微成像的SP激發(fā)結構設計
        3.2.1 Ag層增強表征實驗原理分析
        3.2.2 實驗裝置
        3.2.3 實驗結果與討論
    3.3 本章小結
第4章 均勻深亞波長穿透深度的SP表面顯微結構設計及分析
    4.1 設計原理
    4.2 單一穿透深度SP表面顯微照明結構設計
    4.3 穿透深度可調的SP表面顯微照明結構設計
        4.3.1 結構設計及分析
        4.3.2 寬頻帶性能
        4.3.3 金屬/介質膜層厚度的影響
        4.3.4 樣本折射率影響
        4.3.5 BPP照明下的納米顆粒成像
        4.3.6 BPP照明結構和圖形制備
        4.3.7 超短照明深度的表面顯微成像實驗
    4.4 近場倏逝波穿透深度的雙層熒光染料光譜遠場檢測方法原理及分析
        4.4.1 理論模型及分析
        4.4.2 初步實驗及結果分析
        4.4.3 目前存在的不足及后期工作改進
    4.5 本章小結
第5章 基于光頻負折射材料的SP近場光刻成像
    5.1 原理結構
    5.2 單線條成像理論分析
        5.2.1 空氣距、半寬、強度隨金屬-介質對厚度的變化情況
        5.2.2 空氣距、半寬、強度隨介質占空比的變化情況
        5.2.3 空氣距、半寬、強度隨物像關系的變化情況
        5.2.4 空氣距、半寬、強度隨浸沒環(huán)境的變化情況
        5.2.5 空氣距隨金屬-介質對數(shù)目的變化情況
        5.2.6 空氣距隨介質介電常數(shù)的變化情況
    5.3 密集線條成像理論分析
        5.3.1 金屬/介質單元厚度對光刻性能的影響
        5.3.2 金屬/介質單元中介質占空比對光刻性能的影響
        5.3.3 金屬/介質單元膜層對數(shù)對光刻性能的影響
        5.3.4 入射光偏振對光刻性能的影響
        5.3.5 理論光刻結果與分析
        5.3.6 周期光柵二維成像模擬
    5.4 二維環(huán)狀圖形成像模擬
    5.5 結構制備
    5.6 曝光結果及分析
    5.7 本章小結
第6章 結束語
    6.1 論文的主要創(chuàng)新點
    6.2 存在問題及后期工作展望
參考文獻
致謝
作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果



本文編號：3465336