一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法技术

一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，在固定波长激光垂直照明的条件下，根据所需衍射光场分布特征建立优化目标，利用优化目标及微纳加工条件，设定金属膜超振荡环带片参数，利用矢量角谱理论和快速汉克尔变换算法，计算超振荡环带片后各偏振电场分量以及光场强度分布，结合衍射光场优化目标建立适应度函数模型，计算各环带片的适应度大小，采用粒子位置搜索方法，同时结合遗传算法中变异操作对环带片各环宽度进行优化调整，经过迭代运算，最终求解出最接近或满足优化目标要求的金属膜超振荡环带片。本发明专利技术基于不等环宽的环带结构，采用粒子位置搜索的优化方法，从而能够优化出具有更少环带，更优性能的金属膜超振荡环带片。

A design method of super oscillating metal film with unequal ring width

【技术实现步骤摘要】
一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法
本专利技术属于微纳光学与纳米光子学
，特别涉及一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法。
技术介绍
受衍射极限的影响，任何传统光学系统或光学仪器能够分辨物体的最小细节为d0＝λ/(2NA)，其中λ是照明波长，NA是光学系统的数值孔径。超振荡(Superoscillation)现象指存在一种带限函数，在局部区域的振荡频率远大于其所包含的最大频率分量，利用光学超振荡(OpticalSuperoscillation)可以在局部空间形成尺寸小于衍射极限的光斑，实现突破衍射极限的超分辨聚焦。近年来，利用超振荡环带片实现超分辨聚焦的方法引起了微纳光学领域的广泛关注，成为该领域的重点研究课题。现有金属膜超振荡环带片的设计大多基于等环宽假设，即各挡光环和透光环的宽度必须为最小设定环宽的整数倍。如2012年，英国南安普顿大学利用简单的二元振幅型多环带金属膜微结构衍射元件对相干光束进行聚焦，环带宽度满足最小环宽的整数倍设定(参见文献E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T.Roy,etal.Asuper-oscillatorylensopticalmicroscopeforsubwavelengthimaging.NatureMaterials)。2013年，哈尔滨工业大学设计了一系列基于等环宽假设的二值振幅超振荡环带片，实现了超分辨聚焦(参见文献LiuT,TanJ,LiuJ,etal.Vectorialdesignofsuper-oscillatorylens.OpticsExpress,2013,21(13):15090)。2019年，西北工业大学优化设计出厘米级尺度的金属膜超振荡环带片，但仍然基于了等环宽这一前提条件(参见文献LiW,YuY,YuanW.Flexiblefocusingpatternrealizationofcentimeter-scaleplanarsuper-oscillatorylensesinparallelfabrication.Nanoscale,2019,11(1):311-320)。现有金属膜超振荡环带片优化算法主要分为两类，分别是基于二进制的粒子群算法和基于二进制的基因遗传算法。2013年，新加坡国立大学基于二进制粒子群算法设计出超振荡环带片，实现了基于径向偏振光的纵向光场聚焦(参见文献YeH,QiuCW,HuangK,etal.Creationofalongitudinallypolarizedsubwavelengthhotspotwithanultra-thinplanarlens:vectorialRayleigh-Sommerfeldmethod.LaserPhysicsLetters,2013,10(6):065004)。2015年，西安交通大学基于二进制的基因遗传算法设计出多个二值振幅型超振荡透镜(参见文献LiuT,ShenT,YangS,etal.Subwavelengthfocusingbybinarymulti-annularplates:designtheoryandexperiment.JournalofOptics,2015,17(3):035610)。此外，国内中科院光电技术研究所、重庆大学、西北工业大学、南京大学等科研机构也基于二进制粒子群或基因遗传算法对超振荡环带片的优化算法开展了深入的研究，并取得了一定的进展。例如，中国专利CN201610599066.6，公开了一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，CN201810220342.2，公开了一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，二者均采用了等环宽设计，即各环宽度为最小设定环宽的整数倍。等环宽金属膜超振荡环带片的优点是易编码，结构简单，调制灵活。其缺点是：首先在等环宽的前提设定下，环带片各环宽度必须为最小环宽的整数倍，在一定程度上限制了环带片的最终优化程度。同时，为了得到尺寸更小的聚焦光斑，等环宽金属膜超振荡环带片往往包含数量众多的环带结构，给微纳加工带来了一定的挑战。中国专利CN201910005119.0公开了一种金属膜超振荡环带片的设计方法，采用了非等环宽设计，但是在优化算法上选用了传统的遗传算法。可见，现有超振荡环带片优化算法，即基于二进制的粒子群算法和基于二进制的基因遗传算法，优化目标集中为等环宽金属膜超振荡环带片或等环宽介质超振荡环带片，优化对象为各环带透过率的编码，存在一定的局限性。
技术实现思路
为了克服上述传统金属膜超振荡环带片在模型结构与优化算法上的不足，本专利技术的目的在于提供一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，通过不等环宽的设定提高环带结构的优化程度，通过粒子位置搜索算法提高优化效率及自由度，利用本专利技术可高效优化出具有更少环带、更优性能的超振荡环带片。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，包括以下步骤：步骤一、在固定波长激光垂直照明的条件下，给定所需金属膜超振荡环带片聚焦光场分布特征，根据所需衍射光场分布特征建立优化目标。具体地，对于单焦点优化，金属膜超振荡环带片优化目标包括：聚焦光斑焦距、横向半高全宽、轴向焦深、焦平面横向暗场旁瓣强度值、沿轴光场分布旁瓣强度值；对于光针优化，金属膜超振荡环带片优化目标包括：聚焦光针焦距、横向半高全宽、轴向焦深或光针长度、焦平面横向暗场旁瓣强度值、沿轴向光场分布旁瓣强度值。步骤二、根据优化目标及现有微纳加工条件，设定金属膜超振荡环带片结构参数：直径D、中心遮挡半径Rb、聚焦焦距f、环带数量N和最小环宽ΔR，设定金属膜超振荡环带片工作参数：照明激光波长λ、激光偏振态和工作介质折射率nw。具体设定要求可为：环带直径D≥10λ；聚焦焦距f>λ；环带数量N≥2；最小环宽ΔR≥100nm；中心遮挡半径Rb≤0.8R，R为环带片半径；照明激光波长λ≥10nm；激光偏振态取线偏振、圆偏振或径向偏振；工作介质选空气、油或水。步骤三、根据步骤二中的设定参数，随机初始化若干中心遮挡的不等环宽金属膜超振荡环带片，将每个环带片视作一个独立的个体，所有个体构成初始种群。具体方法可为：首先确定环带片中心遮挡半径Rb，在中心遮挡半径Rb到环带片半径R之间的范围(Rb，R)内随机生成N-1个分割点Xi，i＝1,2,…,N-1，并由小到大进行排序，同时控制相邻分割点之间的间距大于最小环宽ΔR，超振荡环带片由中心圆及分割点确定的N个环带构成，透过率通过二进制数进行编码，0代表环带不透光，1代表环带透光，中心圆透过率设定为0，环带透过率由内到外呈0，1交替，直至最外环带，环带片结构以外的区域设置金属膜遮挡，透过率为0。步骤四、基于步骤三初始种群中的金属膜超振荡环带片结构，利用矢量角谱理论和快速汉克尔变换算法，计算种群中各环带片后各偏振电场分量以及光场强度分布。具体计算过程可为：依据入射光强度分布及金属膜超振荡环带片透过率分布，经过一次汉克尔变换得到环带片后衍射光场的角谱分布，再经过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、在固定波长激光垂直照明的条件下，给定所需金属膜超振荡环带片聚焦光场分布特征，根据所需衍射光场分布特征建立优化目标；/n步骤二、根据优化目标及现有微纳加工条件，设定金属膜超振荡环带片结构参数：直径D、中心遮挡半径R

【技术特征摘要】
1.一种不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在固定波长激光垂直照明的条件下，给定所需金属膜超振荡环带片聚焦光场分布特征，根据所需衍射光场分布特征建立优化目标；
步骤二、根据优化目标及现有微纳加工条件，设定金属膜超振荡环带片结构参数：直径D、中心遮挡半径Rb、聚焦焦距f、环带数量N和最小环宽ΔR，设定金属膜超振荡环带片工作参数：照明激光波长λ、激光偏振态和工作介质折射率nw；
步骤三、根据步骤二中的设定参数，随机初始化若干中心遮挡的不等环宽金属膜超振荡环带片，将每个环带片视作一个独立的个体，所有个体构成初始种群；
步骤四、基于步骤三初始种群中的金属膜超振荡环带片结构，利用矢量角谱理论和快速汉克尔变换算法，计算种群中各环带片后各偏振电场分量以及光场强度分布；
步骤五、根据步骤四中各金属膜超振荡环带片的衍射光场强度分布，结合步骤一中衍射光场优化目标建立适应度函数模型，计算各环带片的适应度大小；
步骤六、根据各金属膜超振荡环带片的适应度大小，采用粒子位置搜索方法，同时结合遗传算法中变异操作对环带片各环宽度进行优化调整，经过迭代运算，最终求解出最接近或满足优化目标要求的金属膜超振荡环带片。


2.根据权利要求1所述不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，所述步骤一中，对于单焦点优化，金属膜超振荡环带片优化目标包括：聚焦光斑焦距、横向半高全宽、轴向焦深、焦平面横向暗场旁瓣强度值、沿轴光场分布旁瓣强度值；对于光针优化，金属膜超振荡环带片优化目标包括：聚焦光针焦距、横向半高全宽、轴向焦深或光针长度、焦平面横向暗场旁瓣强度值、沿轴向光场分布旁瓣强度值。


3.根据权利要求1所述不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，所述步骤二中，金属膜超振荡环带片参数具体设定要求为：环带直径D≥10λ；聚焦焦距f>λ；环带数量N≥2；最小环宽ΔR≥100nm；中心遮挡半径Rb≤0.8R，R为环带片半径；照明激光波长λ≥10nm；激光偏振态取线偏振、圆偏振或径向偏振；工作介质选空气、油或水。


4.根据权利要求1所述不等环宽金属膜超振荡环带片设计方法，其特征在于，所述步骤三中，随机初始化不等环宽金属膜超振荡环带片的方法为：首先确定环带片中心遮挡半径Rb，在中心遮挡半径Rb到环带片半径R之间的范围(Rb，R)内随机生成N-1个分割点Xi，i＝1,2,…,N-1，并由小到大进行排序，同时控制相邻分割点之间的间距大于最小环宽ΔR，超振荡环带片由中心圆及分割点确定的N个环带构成，透过率通过二进制数进行编码，0代表环带不透光，1代表环带透光，中心圆透过率设定为0，环带透过...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，何韬，李国卿，杨树明，王佳怡，刘康，田博，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61