本文關(guān)鍵詞：基于超振蕩原理的超分辨透鏡優(yōu)化設(shè)計與制備

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【摘要】：由于光學(xué)衍射極限的存在,光學(xué)系統(tǒng)的分辨率受到極大的限制,因此,突破衍射極限實現(xiàn)光學(xué)超分辨聚焦和成像成為科學(xué)研究中的一個熱點和難點問題。隨著微納米技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)超分辨技術(shù)在超微細(xì)光刻、生物/醫(yī)學(xué)超分辨成像觀測、粒子操縱、高密度數(shù)據(jù)記錄及存儲等領(lǐng)域具有十分重要的研究意義和應(yīng)用價值。目前,通過平面金屬薄膜納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光學(xué)超分辨的方式主要有兩種:一種是利用表面等離子體恢復(fù)和放大倏逝波并使其參與成像,但是該方法實現(xiàn)的工作距離很小,難以在準(zhǔn)遠(yuǎn)場及遠(yuǎn)場實現(xiàn)超分辨;另一種方式是根據(jù)光學(xué)超振蕩原理通過精細(xì)調(diào)節(jié)衍射光束干涉?zhèn)鞑ミ^程能夠在遠(yuǎn)場區(qū)域形成具有超振蕩特性的亞波長光斑。本文通過對光學(xué)超振蕩實現(xiàn)超分辨的機(jī)理進(jìn)行分析,研究超振蕩透鏡聚焦性能的可控性矢量優(yōu)化設(shè)計方法,并對超振蕩透鏡的聚焦性能進(jìn)行仿真和實驗測試,完成對理論優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的驗證分析。本文主要研究內(nèi)容如下:1.探究光學(xué)超振蕩實現(xiàn)超分辨的機(jī)理,并對目前超振蕩透鏡的設(shè)計方法進(jìn)行深入分析。研究發(fā)現(xiàn):衍射極限只是一種實際上的限制,根據(jù)光學(xué)超振蕩現(xiàn)象,衍射光斑的尺寸在理論上是沒有極限的,關(guān)鍵在于處理好聚焦光斑與旁瓣能量之間的關(guān)系。針對超振蕩透鏡聚焦性能的可控性問題等,提出建立多目標(biāo)多約束優(yōu)化設(shè)計模型實現(xiàn)透鏡亞衍射極限聚焦的精確可控。2.針對衍射相關(guān)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析,確定矢量衍射理論對超振蕩透鏡設(shè)計具有普適性并推導(dǎo)不同偏振態(tài)下透鏡的衍射光場分布。通過時域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)對不同孔徑下圓孔衍射的強(qiáng)度分布進(jìn)行仿真分析并與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比,驗證了矢量衍射理論對超振蕩透鏡設(shè)計的有效性。3.基于矢量角譜理論建立了超振蕩透鏡亞衍射極限光斑和亞衍射極限光針優(yōu)化設(shè)計模型。采用遺傳算法和快速漢克爾變換算法編制Matlab優(yōu)化求解程序。利用FDTD對超振蕩透鏡理論設(shè)計結(jié)果進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果和設(shè)計結(jié)果基本吻合,從而證明了本設(shè)計模型能夠較好地實現(xiàn)超振蕩透鏡聚焦性能的可控性優(yōu)化設(shè)計。4.根據(jù)超振蕩透鏡的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合微納米加工技術(shù)的特點,采用聚焦離子束(focused ion beam,FIB)納米加工技術(shù)完成器件的制備。同時,利用尼康倒置顯微鏡光路系統(tǒng)搭建透鏡性能測試平臺并對實驗測試中的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。最后將實驗結(jié)果與理論設(shè)計結(jié)果進(jìn)行對比并分析誤差產(chǎn)生的原因。本文的主要創(chuàng)新點是提出并建立了多目標(biāo)多約束的優(yōu)化設(shè)計模型,實現(xiàn)了超振蕩透鏡的可控性優(yōu)化設(shè)計。
【關(guān)鍵詞】：超分辨 超振蕩 衍射理論 優(yōu)化模型 性能測試
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH74
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 平面金屬薄膜納米結(jié)構(gòu)透鏡的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 表面等離子體透鏡13-14
• 1.2.2 光學(xué)超振蕩透鏡14-16
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容16-18
• 第2章 超振蕩透鏡及其設(shè)計相關(guān)理論基礎(chǔ)18-36
• 2.1 光學(xué)超分辨與超振蕩理論18-23
• 2.1.1 光學(xué)超分辨18-20
• 2.1.2 光學(xué)超振蕩現(xiàn)象20-21
• 2.1.3 基于光學(xué)超振蕩實現(xiàn)超分辨21-23
• 2.2 標(biāo)量衍射理論23-30
• 2.2.1 基爾霍夫衍射理論 (Kirchhoff Diffraction Theory)23-27
• 2.2.2 標(biāo)量瑞利-索末菲衍射理論 (Scalar R-S Diffraction Theory)27-28
• 2.2.3 標(biāo)量角譜理論 (Scalar Angular Spectrum Theory)28-30
• 2.3 矢量衍射理論30-32
• 2.3.1 矢量瑞利-索末菲衍射理論 (Vectorial R-S Diffraction Theory)30-31
• 2.3.2 矢量角譜理論 (Vectorial Angular Spectrum Theory)31
• 2.3.3 兩種矢量衍射理論的等價性31-32
• 2.4 遺傳算法32-35
• 2.4.1 遺傳算法的基本原理33
• 2.4.2 遺傳算法計算流程33-34
• 2.4.3 多目標(biāo)遺傳算法34-35
• 2.5 本章小節(jié)35-36
• 第3章 超振蕩透鏡優(yōu)化設(shè)計方法36-54
• 3.1 不同偏振態(tài)下超振蕩透鏡電場分布36-39
• 3.2 簡單圓孔衍射分析39-41
• 3.3 光斑超分辨聚焦的可控性優(yōu)化設(shè)計41-48
• 3.3.1 數(shù)學(xué)模型41-43
• 3.3.2 算法實現(xiàn)43-45
• 3.3.3 結(jié)果分析45-47
• 3.3.4 尺度效應(yīng)47-48
• 3.4 超振蕩光針的可控性優(yōu)化設(shè)計48-53
• 3.4.1 數(shù)學(xué)模型49-50
• 3.4.2 結(jié)果分析50-52
• 3.4.3 理論驗證52-53
• 3.5 本章小結(jié)53-54
• 第4章 超振蕩透鏡的加工與性能測試54-60
• 4.1 超振蕩透鏡的制備54-55
• 4.2 超振蕩透鏡性能測試55-58
• 4.2.1 實驗測試的關(guān)鍵因素分析55-56
• 4.2.2 實驗結(jié)果與分析56-58
• 4.3 本章小結(jié)58-60
• 第5章 總結(jié)與展望60-62
• 5.1 總結(jié)60
• 5.2 展望60-62
• 參考文獻(xiàn)62-66
• 發(fā)表論文和參加科研情況66-68
• 致謝68-69

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本文編號：810377