一種納米尺度固體混合浸沒透鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米尺度固體混合浸沒透鏡。本發(fā)明納米尺度固體混合浸沒透鏡是在普通的納米尺度固體浸沒透鏡中心插入了納米圓柱，這種固體混合浸沒透鏡可以在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，從而有效降低近場(chǎng)聚焦光斑的半高寬。本發(fā)明所提出的納米尺度固體混合浸沒透鏡可以將近場(chǎng)光斑的分辨率提高到接近八分之一波長(zhǎng)，從而突破阿貝衍射極限，大幅提升近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨能力。
【專利說明】—種納米尺度固體混合浸沒透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種納米尺度固體混合浸沒透鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]突破阿貝衍射極限獲得超分辨率(〈0.5λ，λ為入射波長(zhǎng))的光斑尺寸是目前近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)和現(xiàn)代微納光學(xué)領(lǐng)域炙手可熱的研究課題。近些年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者報(bào)道了多種可以達(dá)到超分辨率的技術(shù)手段，包括利用納米探針或環(huán)形光闌開發(fā)近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡，利用超材料的負(fù)折射效應(yīng)設(shè)計(jì)超級(jí)透鏡，利用平面衍射光柵的超級(jí)振蕩獲得超分辨的衍射光斑，利用微球或納米固體浸沒透鏡實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)超分辨顯微成像。
[0003]在這其中，利用納米固體浸沒透鏡可以獲得接近四分之一波長(zhǎng)的光學(xué)分辨率，在近場(chǎng)超分辨顯微成像、納米加工和近場(chǎng)拉曼光譜具有十分誘人的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，目前所報(bào)道的納米固體浸沒透鏡都采用了單一的半球結(jié)構(gòu)，例如文獻(xiàn)一(J.Y.Lee, B.H.Hong, ff.Y.Kim, S.K.Min, Y.Kim, Μ.V.Jouravlev, R.Bose, K.S.Kim, 1.C.Hwang, L.J.Kaufman, C.ff.Wong, and P.Kim, Near-field focusing and magnificat1nthrough self-assembled nanoscale spherical lenses,Nature,2009,460 (7254), 498-501.)和文獻(xiàn)二(J.W.Jang, Z.J.Zheng, 0.S.Lee, W.Shim, G.F.Zheng, G.C.Schatz, and C.A.Mirkin, Arrays of nanoscale lenses for subwavelength opticallithography, Nano Letters, 2010, 10 (11), 4399-4404.)所公開的納米固體浸沒透鏡分別采用了杯對(duì)苯二酚(CHQ)和聚乙二醇(PEG)聚合物半球結(jié)構(gòu)，其光學(xué)分辨率分別達(dá)到接近
0.27 λ 和 0.25 λ。
[0004]由上可知，現(xiàn)有的單一的半球結(jié)構(gòu)透鏡，光學(xué)分辨率依然較低，還不能滿足尺度在四分之一波長(zhǎng)以下目標(biāo)的近場(chǎng)成像或納米加工應(yīng)用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種納米尺度固體混合浸沒透鏡。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種納米尺度固體混合浸沒透鏡，包括納米半球和納米圓柱，所述納米圓柱位于納米半球的中心，納米圓柱的上表面和下表面均與納米半球的外表面融為一體，納米半球的直徑D取值范圍為[lOOOnrn，1400nm]，納米圓柱的直徑W的取值范圍為[90nm，11Onm]。
[0007]所述納米半球所用材料的折射率低于納米圓柱所用材料的折射率。
[0008]所述納米半球的材料為二氧化硅、杯對(duì)苯二酚聚合物或聚乙二醇聚合物，納米圓柱的材料為硅、砷化鋁或氧化鋅。
[0009]按照光的入射方向?qū)⑵浞譃樾吞?hào)I和型號(hào)II兩個(gè)型號(hào)，型號(hào)I是由面朝下的納米半球和納米圓柱組成，納米圓柱位于納米半球的中心，光線從納米半球的弧面射入；型號(hào)II是由面朝上的納米半球和納米圓柱組成，納米圓柱位于納米半球的中心，光線從納米半球的平面射入。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明通過在普通的納米尺度固體浸沒透鏡中心插入納米圓柱，可以在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，從而有效降低近場(chǎng)聚焦光斑的半高寬。本發(fā)明所提出的納米尺度固體混合浸沒透鏡可以將近場(chǎng)光斑的分辨率提高到接近八分之一波長(zhǎng)，大幅提升了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明納米尺度固體混合浸沒透鏡的工作示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明納米尺度固體混合浸沒透鏡的聚焦效果示意圖，其中圖(a)、(b)、(c) (d)分別為本發(fā)明實(shí)施例1-4固體混合浸沒透鏡的聚焦效果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1所示，本發(fā)明的一種納米尺度固體混合浸沒透鏡，包括納米半球2和納米圓柱3，所述納米圓柱3位于納米半球2的中心，納米圓柱3的上表面和下表面均與納米半球2的外表面融為一體，納米半球2的直徑D取值范圍為[lOOOnm，1400nm]，納米圓柱3的直徑W的取值范圍為[90nm，IlOnm]。
[0014]按照光的入射方向?qū)⑵浞譃樾吞?hào)I和型號(hào)II兩個(gè)型號(hào)，型號(hào)I是由面朝下的納米半球2和納米圓柱3組成，納米圓柱3位于納米半球2的中心，光線從納米半球2的弧面射入；型號(hào)II是由面朝上的納米半球2和納米圓柱3組成，納米圓柱3位于納米半球2的中心，光線從納米半球2的平面射入。
[0015]所述納米半球2所用材料的折射率低于納米圓柱3所用材料的折射率。
[0016]所述納米半球2的材料為二氧化硅、杯對(duì)苯二酚聚合物或聚乙二醇聚合物，納米圓柱3的材料為硅、砷化鋁或氧化鋅。
[0017]本發(fā)明的納米尺度固體混合浸沒透鏡，可以按照光的入射方向?qū)⑵浞譃樾吞?hào)I和型號(hào)II兩個(gè)型號(hào)，型號(hào)I是由面朝下的納米半球2和納米圓柱3組成，光線從納米半球2的弧面射入；型號(hào)II是由面朝上的納米半球2和納米圓柱3組成，光線從納米半球2的底部平面射入。納米半球2的直徑為D，納米圓柱3的直徑為W。
[0018]以型號(hào)I為例，入射波長(zhǎng)為λ的平行光束從透鏡I (數(shù)值孔徑為NA，工作距離為f0)經(jīng)過聚焦入射到納米尺度固體混合浸沒透鏡上。納米尺度固體混合浸沒透鏡的半球中心位置位于A處，通過納米尺度固體混合浸沒透鏡二次聚焦的光在出射面4上形成光斑。
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)的描述:
[0020]實(shí)施例1
[0021]設(shè)定入射波長(zhǎng)λ為532nm，透鏡I數(shù)值孔徑NA為0.9，采用型號(hào)I納米尺度固體混合浸沒透鏡。納米半球2的直徑D為1250nm，材料為杯對(duì)苯二酚(CHQ)聚合物；納米圓柱3的直徑W為96nm，材料為砷化鋁。
[0022]所述納米尺度固體混合浸沒透鏡的聚焦效果示意圖如圖2(a)所示。從圖2(a)中可以看出，本發(fā)明中型號(hào)I納米尺度固體混合浸沒透鏡在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，可以在出射面4上獲得69.8nm的分辨率,相對(duì)于入射光波長(zhǎng)532nm,本發(fā)明中納米尺度固體混合浸沒透鏡獲得了接近八分之一波長(zhǎng)的超高分辨率。
[0023]實(shí)施例2
[0024]設(shè)定入射波長(zhǎng)λ為532nm，透鏡I數(shù)值孔徑NA為0.9，采用型號(hào)II納米尺度固體混合浸沒透鏡。納米半球2的直徑D為1250nm，材料為二氧化硅；納米圓柱3的直徑W為96nm，材料為砷化鋁。
[0025]所述納米尺度固體混合浸沒透鏡的聚焦效果示意圖如圖2(b)所示。從圖2(b)中可以看出，本發(fā)明中型號(hào)II納米尺度固體混合浸沒透鏡在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，可以在出射面4上獲得78.7nm的分辨率，相對(duì)于入射光波長(zhǎng)532鹽，本發(fā)明中納米尺度固體混合浸沒透鏡獲得了接近八分之一波長(zhǎng)的超高分辨率。
[0026]實(shí)施例3
[0027]設(shè)定入射波長(zhǎng)λ為532nm，透鏡I數(shù)值孔徑NA為0.9，采用型號(hào)I納米尺度固體混合浸沒透鏡。納米半球2的直徑D為1200nm，材料為聚乙二醇(PEG)聚合物；納米圓柱3的直徑W為102nm，材料為氧化鋅。
[0028]所述納米尺度固體混合浸沒透鏡的聚焦效果示意圖如圖2(c)所示。從圖2(c)中可以看出，本發(fā)明中型號(hào)I納米尺度固體混合浸沒透鏡在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，可以在出射面4上獲得68.4nm的分辨率,相對(duì)于入射光波長(zhǎng)532nm,本發(fā)明中納米尺度固體混合浸沒透鏡獲得了接近八分之一波長(zhǎng)的超高分辨率。
[0029]實(shí)施例4
[0030]設(shè)定入射波長(zhǎng)λ為532nm，透鏡I數(shù)值孔徑NA為0.9，采用型號(hào)II納米尺度固體混合浸沒透鏡。納米半球2的直徑D為1200nm，材料為聚乙二醇(PEG)聚合物；納米圓柱3的直徑W為102nm，材料為硅。
[0031]所述納米尺度固體混合浸沒透鏡的聚焦效果示意圖如圖2(d)所示。從圖2(d)中可以看出，本發(fā)明中型號(hào)II納米尺度固體混合浸沒透鏡在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，可以在出射面4上獲得73.2nm的分辨率，相對(duì)于入射光波長(zhǎng)532鹽，本發(fā)明中納米尺度固體混合浸沒透鏡獲得了接近八分之一波長(zhǎng)的超高分辨率。
[0032]由上可知，本發(fā)明中型號(hào)I和型號(hào)II納米尺度固體混合浸沒透鏡在納米圓柱的出射端附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的模式壓縮現(xiàn)象，可以在出射面4上獲得69.8nm、78.7nm、68.4nm和73.2nm的分辨率，而未放入砷化鋁納米圓柱的普通納米尺度固體浸沒透鏡在出射面4上只獲得了 157.8nm和178.4nm的分辨率。因此相對(duì)于入射光波長(zhǎng)532nm，本發(fā)明中納米尺度固體混合浸沒透鏡獲得了接近八分之一波長(zhǎng)的超高分辨率，是普通納米尺度固體浸沒透鏡分辨率的兩倍。
【權(quán)利要求】
1.一種納米尺度固體混合浸沒透鏡，其特征在于，包括納米半球[2]和納米圓柱[3]，所述納米圓柱[3]位于納米半球[2]的中心，納米圓柱[3]的上表面和下表面均與納米半球[2]的外表面融為一體，納米半球[2]的直徑D取值范圍為[1000 nm, 1400 nm]，納米圓柱[3]的直徑的取值范圍為[90 nm,110 nm]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米尺度固體混合浸沒透鏡，其特征在于，按照光的入射方向?qū)⑵浞譃樾吞?hào)I和型號(hào)II兩個(gè)型號(hào)，型號(hào)I是由面朝下的納米半球[2]和納米圓柱[3]組成，納米圓柱[3]位于納米半球[2]的中心，光線從納米半球[2]的弧面射入；型號(hào)II是由面朝上的納米半球[2]和納米圓柱[3]組成，納米圓柱[3]位于納米半球[2]的中心，光線從納米半球[2]的平面射入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米尺度固體混合浸沒透鏡，其特征在于，納米半球[2]所用材料的折射率低于納米圓柱[3]所用材料的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米尺度固體混合浸沒透鏡，其特征在于，納米半球[2]的材料為二氧化硅、杯對(duì)苯二酚聚合物或聚乙二醇聚合物，納米圓柱[3]的材料為硅、砷化鋁或氧化鋅。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK104237982SQ201410462527
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】蔣立勇, 張偉, 王彬, 劉濤, 郭恩來, 李相銀 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)