论文主体思路

论文主要贡献

  1. 远场超级透镜(FSL)由一个传统的超级透镜和一个纳米级耦合器组成。从物体发出的倏逝场经过FSL增强后转化为传播场。通过测量远场的传播场，可以实现亚波长分辨率的物像重建。
  2. 设计并制造了一个银结构的一维FSL，实验结果表明，采用现有的FSL设计，可以实现50nm以上的特征分辨率。
  3. 远场超透镜(FSL)利用平面几何特性和纳米光栅的倏逝-传播波转换，不仅可以在远场获得亚衍射限制图像，而且具有非常大的视场尺寸

利用近场莫尔效应提高远场分辨率

  1. (a)物体的近场光学图像。(b)亚波长耦合光栅。(c)由(a)和(b)叠加而成的远场可观测的莫尔条纹。从莫尔条纹可以得到亚波长分辨率的原始物象。
  2. FSL由平板超透镜和纳米级光栅耦合器组成。如果将耦合器带到超透镜附近，从而与近场图像重叠，则可以构造一个莫尔条纹图(见图1中的示意图)。由于叠加的近场图像和光栅之间的倏逝波“混频”，可以通过近场莫尔条纹效应来理解该条纹图。通过将不可分辨的高空间频率转换为低空间频率的莫尔条纹，可以在远场检测到目标的高分辨率信息。利用远场测量数据可以重建亚衍射极限图像。

简化一维远场超透镜(FSL)的概念

  1. 传统光学透镜在傅里叶空间中的可达区域由半径为kobs的中心圆定义(kobs仅限于传播波)。FSL可以利用其衍射阶将原消去波转换为传播波。如果物体也是一维的，并且相对于FSL的光栅存在角度失调α，则经过不同衍射顺序的物体信息将在空间上分离。通过这种方式，可以检测和恢复的最大空间频率为Kobs+KΛ。

结构银FSL的光学振幅传递函数(ATF)

  1. 在TM模式下，结构银FSL(仅显示传播波)的光学振幅传递函数(ATF)。FSL的几何形状如图所示。周围介质的折射率设为1.52，真空条件下工作光波长为377nm。
  2. 以一个银结构FSL为例，采用严格耦合波分析(RCWA)方法计算OTF，如图3所示。在大的空间频率(波矢量)下，OTF表现出显著的增强，而在小的空间频率下，OTF表现出抑制，这将大大提高条纹和最终恢复的高分辨率图像的对比度。

银结构FSL的扫描电镜图像

单线物体定向FSL图像

  1. (a)线宽50nm的单线物体定向FSL图像;(b)线宽50nm、边距70nm的双线物体;(c)线宽50nm、边距70nm的三线物体。(d)、(e)和(f)分别对(a)、(b)和(c)进行二维傅里叶变换。白色圆圈内的区域表示光学显微镜的远场可探测信息(NA≤1.4)。(g)、(h)、(i)分别由(d)、(e)、(f)重建图像。(j)、(k)、(l)分别为(g)、(h)、(i)中虚线白色矩形区域的放大图。
  2. p偏光直接光学显微镜成像如图5(a)、5(b)、5(c)所示，分别为单缝、双缝和三缝。我们对这些图像进行了二维傅里叶变换，其光谱如图5(d)、5(e)和5(f)所示。
  3. 由于线对对象被故意定向与相对于FSL的光栅方向小角度。通过FSL产生的不同阶的传输在傅里叶谱中被分离。从图5(d)、5(e)、5(f)可以清楚地看到FSL衍射顺序为0、+1、-1，这与我们在图2中的预期一致。

  1. 线宽50nm， (a) 60、 (b) 80nm、(c) 100nm边缘距离的三线物体定向FSL图像。(d)、(e)、(f)分别为物体(a)、(b)、(c)重建图像的放大视图。
  2. 为了进一步证明FSL的成像能力，我们还测试了一个线宽为50nm、边到边距离(60nm、80nm和100nm)不同的三线物体。定向光学图像和重构图像如图6所示。显然，物体的三条线都被精确地分辨出来了。物体之间狭缝距离的差异，小到20纳米，已经被清楚地区分出来。

分离和重新定位频率分量获得高分辨率图像

  1. 为了获得高分辨率图像，必须将三个重叠的频率分量分离并重新定位到其原始位置。这可以通过在物体和光栅之间进行多次相对相移测量，然后进行数据处理程序来完成。由于物体和光栅处于彼此的近场，因此需要非常复杂的仪器在物体上以纳米精度平移光栅。此外，在平移过程中，目标必须保持不变，这使得该方法不适合实时高速成像。为了在没有平移过程的情况下解决波矢量混合问题，具有特定波矢量相关光学传递函数(OTF)的FSL提供了一种全新的方法。根据期望的OTF，只有一个衍射级可以通过FSL，这使得可探测的传播波与它的倏逝源之间具有“一对一”的关系。
  2. 传统方法：通常是通过物体和光栅之间的多个相对位置变化来实现高分辨率。光栅就像是一个精细的网格，当它与物体产生相对移动时，会测量多个角度下的光线。这些数据随后经过复杂的处理，能够提升图像的分辨率。这种方法的问题在于，光栅的移动需要非常精确，达到纳米级别。而且物体必须在这个过程中保持静止，这让它不适合快速成像，因为移动和测量的时间都很长。
  3. 新的FSL方法：为了解决这个问题，有一种新的方法叫FSL，它利用了一种特定的“光学传递函数”（OTF），使得只需要一个衍射波级通过即可。这样可以避免复杂的平移过程，并直接通过波矢量之间的关系来获得高分辨率。换句话说，FSL的方法避免了光栅的移动，简化了设备的要求，使得更高效地获得清晰的图像成为可能。

附录与补遗

论文中可以引用的部分

  1. 由亚波长光栅衍射耦合的波是倏逝的。物体与耦合光栅之间的任何距离都可能导致显著的场振幅损失。此外，对于自然物体而言，较高空间频率的幅值通常较小。

关于文献

题目及期刊

题目：Experimental studies of far-field superlens for sub-diffractional optical imaging

远场超透镜用于亚衍射光学成像的实验研究

期刊：Optics Express(OE)

作者信息

作者：Zhaowei Liu，Stéphane Durant

发表时间

日期：2007年

阅读时间

日期：2024年9月23日

开源代码及其它

GitHub：无