远场超分辨率成像与亚波长聚焦的研究

论文摘要

随着纳米科学和生命科学的研究不断深入,在光学显微成像、光刻、光信息存储等诸多光学应用领域,由于存在光学衍射效应,导致聚焦焦斑和远场成像出现极限分辨率问题。要想获得更高分辨率,就必须突破衍射极限,尤其是在远场实现超分辨率聚焦和成像,需要采取有效手段将更多的隐逝波分量送达远场参与聚焦或成像过程。根据表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）独特的短波长、表面局域和近场增强特性,本文分别提出了基于亚波长金属结构的远场成像透镜模型和超聚焦透镜模型,利用特定结构对SPPs进行操控从而可以超越衍射限制,在远场实现超分辨率成像和亚波长聚焦。本文主要包括以下研究内容：首先,针对投影光刻成像模拟系统中忽略掩模厚度、入射光的倾斜角度、偏振等因素直接用标量衍射理论进行空间像计算导致预测严重失真的问题,采用严格的矢量电磁理论,借助波导方法分析了三维掩模在离轴照明条件下的近场衍射分布,得到通用的三维掩模模型。该模型综合考虑了入射角、入射方位角、偏振角以及掩模厚度对近场分布的影响,能够反映出亚波长光刻中倾斜入射平面波对三维掩模产生的阴影效应和偏振效应。对分辨率增强技术——光学邻近效应校正（OPC）进行了验证,发现OPC技术可以有效改善掩模的近场分布,从而达到提高远场光刻分辨率的目的。此外通过数值模拟得到了最佳入射角度,与工艺经验值完全吻合。根据金属-介质交替构成的圆柱形双曲透镜能够突破传统光学衍射限制实现超分辨率远场成像的机理,对双曲透镜结构进行了优化分析,将其应用到193纳米光刻系统中,使用铝和二氧化钛构成各向异性非常强的双曲色散媒质,更有利于远场缩小成像。通过数值分析发现,优化后的双曲透镜,结合相移掩模技术可以实现20纳米以下技术节点,这为拓展和延伸193纳米光刻机提供了新的途径和理论依据。由于圆柱双曲透镜可以实现缩小/放大成像,但是圆弧形的内外表面不利于物的放置和像的测量；而平板超级透镜有平坦的表面却不具备缩小/放大的功能,因此综合这两种透镜模型各自的优势,设计了具有平坦物面和像面的凹形双曲透镜Concave Hyperlens模型,能够实现超分辨率的缩小/放大成像。利用传递矩阵方法TMM详细分析了光通过该多层结构透镜模型的传播行为,在共焦椭圆坐标系中引入马丢函数得到透射光场的半解析表达式。通过数值方法验证了该透镜所具有的高对比度缩小成像能力,并与多层平板透镜、平板双曲透镜进行了成像性能比较,显现出该透镜模型具有非均匀成像特性。为了实现高效率远场超聚焦,在环形金属透镜基础上,提出了两种特定结构的金属透镜模型,一种是用介质光栅调制出射面的光场,将径向偏振照明条件下的近场焦斑搬移到远场,实现远场亚波长高效率聚焦；另一种是基于无辐射电磁波干涉,金属透镜出射面用各向异性的超材料媒质填充,可将近场汇聚的能量传递到远场从而得到亚波长焦斑。文中对第一种远场超聚焦透镜进行了详细分析,给出了结构参数的设计方法,并通过数值仿真得到优化后的结构参数及其亚波长聚焦性能。同时为了适应各种应用的需求,可以改变缝的结构参数或者增减光栅槽数进行焦距调节。综合上述研究结果可知,本文提出的基于亚波长金属结构的远场超分辨率成像透镜和高效率亚波长聚焦透镜,可以突破衍射极限在远场实现亚波长分辨率的超聚焦和成像,这将对纳米加工技术、光刻技术、光存储、生物传感、新型光源、分析与检测技术等光学领域具有重要的理论价值和应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究目的与意义
• 1.2 超分辨率成像技术研究现状
• 1.3 亚波长聚焦和超聚焦效应研究现状
• 1.4 突破衍射极限远场成像的新技术-双曲透镜（Hyperlens）
• 1.5 本文的工作及创新点
• 1.6 本文的整体框架结构安排
• 第二章 光学衍射系统与亚波长光学系统
• 2.1 传统光学系统中的衍射极限
• 2.2 近场和远场成像理论
• 2.3 表面等离子激元亚波长光学基本理论
• 2.4 变换光学及Metamaterials
• 2.5 本章小结
• 第三章 光刻成像系统中三维掩模近场仿真
• 3.1 光刻成像系统
• 3.2 通用的三维掩模模型
• 3.3 数值仿真与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 优化双曲透镜实现20纳米以下光刻技术节点
• 4.1 Hyperlens的理论分析
• 4.2 Hyperlens结构优化
• 4.3 数值分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 凹形双曲透镜实现直接缩小成像
• 5.1 Concave Hyperlens的结构设计
• 5.2 Concave Hyperlens的性能分析
• 5.3 数值仿真与结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 圆形金属透镜实现远场亚波长超聚焦
• 6.1 金属透镜实现超聚焦的机理
• 6.2 基于介质光栅的远场超聚焦透镜模型
• 6.3 调节焦距的方法分析
• 6.4 金属透镜结构优化、数值仿真与结果分析
• 6.5 使用Metamaterial实现远场亚波长超聚焦
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语及未来工作的展望
• 7.1 本文主要研究结论
• 7.2 未来研究工作展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢