上海光機(jī)所在三維陣列焦點(diǎn)成像研究上取得進(jìn)展

上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合室實(shí)驗(yàn)室提出的衍射光學(xué)杠桿效應(yīng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了單一平面衍射光學(xué)元件的三維陣列(在多個(gè)可調(diào)距離的焦平面上產(chǎn)生陣列衍射極限焦斑)焦點(diǎn)成像。

上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合室實(shí)驗(yàn)室張軍勇副研究員等首次將廣義Fibonacci家族引入到納米結(jié)構(gòu)中，以解析的數(shù)學(xué)形式描述了任意數(shù)目和任意位置的軸上焦點(diǎn)的正逆設(shè)計(jì)方法，并在提出的衍射光學(xué)杠桿效應(yīng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了單一平面衍射光學(xué)元件的三維陣列(在多個(gè)可調(diào)距離的焦平面上產(chǎn)生陣列衍射極限焦斑)焦點(diǎn)成像。

傳統(tǒng)材料的光學(xué)透鏡由于強(qiáng)吸收無法在軟X射線及以下波段折反射成像，目前國(guó)際上通常利用波帶片的衍射聚焦成像。2001年德國(guó)科學(xué)家Kipp在Nature上首次提出了光子篩概念，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)波帶片的分辨率。但從成像的觀點(diǎn)來看，這兩類衍射聚焦器件仍然屬于單焦點(diǎn)的衍射光學(xué)元件。多焦點(diǎn)器件(比如達(dá)曼光柵等)主要集中在單平面上的陣列焦點(diǎn)或單一光軸上的多個(gè)焦點(diǎn)，這兩類焦點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)基本上是通過各種優(yōu)化算法搜索求解的，其對(duì)應(yīng)元件各自的F數(shù)差異也很大。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，上述衍射元件在結(jié)構(gòu)形式上都具有周期性和對(duì)稱性。

結(jié)合Fibonacci序列的研究工作，科研人員首次把帶有不定周期的廣義Fibonacci家族替換原有的光子篩周期性結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了光子篩軸上多焦點(diǎn)的任意調(diào)控，焦點(diǎn)的特性完全由廣義Fibonacci序列的數(shù)學(xué)特性決定，與其光學(xué)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱屬性無關(guān)，表現(xiàn)出一定的拓?fù)洳蛔冃?。首次以解析的形式給出了衍射光學(xué)杠桿效應(yīng)誘發(fā)的焦點(diǎn)倍增現(xiàn)象的規(guī)律。

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。上述相關(guān)工作已發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Applied Optics [Applied Optics, 54,24, 7278-7283, 2015]、Chinese Optics Letters [Chin. Opt. Lett., 13(08) , 080501, 2015]上

圖1 沿光軸焦點(diǎn)的倍增現(xiàn)象的仿真結(jié)果。紅線和藍(lán)線分別代表兩個(gè)不同的Fibonacci結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的焦點(diǎn)光強(qiáng)分布

圖2(a) 等間距的三層中空光斑 ;圖2(b) 產(chǎn)生三維陣列焦點(diǎn)圖(圖2.(a))對(duì)應(yīng)的前幾級(jí)衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)(共322環(huán)

圖3(a) 沿光軸方向產(chǎn)生了四層的陣列衍射極限焦斑。相鄰兩層的焦斑正交分布。圖3(b) 圖3(a)每一層上的光強(qiáng)分布。