倏逝波放大技术实现半导体激光器超分辨率聚焦成像的研究

在成像光路中引入倏逝波放大技术有望提高成像系统的分辨率，本项目以半导体激光器(LD)的整形聚焦光路为切入点，提出用微透镜成像结合倏逝波放大技术、从而实现超分辨率聚焦光点的新思路。以实现单管LD的超分辨率聚焦成像作为研究目标，发展倏逝波放大元件与微透镜混合集成的缩小成像功能模块的优化设计理论，建立起有效地模拟仿真手段；设计出可形成(100-200)nm聚焦光点的LD系统，并通过计算模拟加以验证；建立有效地实验手段验证倏逝波放大后聚焦成像分辨率的改善。该项目理论上可建立完善的基于倏逝波放大技术的LD聚焦成像新理论体系，为实现LD的超分辨率聚焦成像提供一种全新的方法，应用上可在DVD光盘存储、纳米尺寸聚焦激光头等方面取得具有国际首创的研究成果，因此项目具有重要的理论意义和应用价值。

本项目以实现倏逝波的放大传递、进而形成超分辨率聚焦成像光点作为总的科学目标，系统深入地研究了微透镜缩小成像特性，金属微纳结构材料的优化设计理论和方法，入射光波与微透镜、以及金属微纳结构透镜相互作用产生超分辨率聚焦光点的机理和方法，分析了微透镜和金属微纳结构透镜的特征参数与聚焦放大倍率、系统透过率、聚焦光点大小等之间的本质关系，采用有限元方法建立了微纳结构超分辨率聚焦成像模型。在此基础上，发明了多种不同的微透镜与金属微纳结构透镜融合集成的超分辨率聚焦成像装置(如超分辨率固体浸没透镜、半圆柱双曲透镜、多光束超分辨率聚焦装置、非均匀采样金属透镜、平板双曲透镜等)，这些装置可用于实现半导体激光光束的超分辨率聚焦成像。研究表明，以375nm的半导体激光为光源，利用本项目提出的优化设计理论设计的微纳结构聚焦装置，最小可实现16.3nm的理论超高分辨率聚焦光点。以上工作完成了基于倏逝波放大实现半导体激光光束超分辨率聚焦成像的理论平台建设。本项目还发展了微透镜缩小成像的设计方法和系统的制备工艺，成功地研制出可用于本项目的缩小成像微透镜，并开展了缩小成像实验。基于上述理论和实践工作，课题组搭建了一套超分辨率聚焦成像系统，并利用8-12GHz的微波开展了超分辨率聚焦原理验证实验，获得了λ0/3的超分辨率聚焦波束结果。该实验充分证明了本项目提出的理论构想和实现方法的正确性。本项目发展的倏逝波放大技术是一种新颖的超分辨率聚焦成像技术，可为光存储、纳光子器件的制备、纳米光刻等领域提供全新的技术途径。

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