光学薄膜诱导偏振像差对大数值孔径光学系统聚焦特性的影响-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 15 (2015) 154214 光学薄膜诱导偏振像差对大数值孔径光学 系统聚焦特性的影响 李旸晖 郝翔 史召邑 帅少杰 王乐 1)(中国计量学院, 光学与电子科技学院, 杭州 310018) 2)(浙江大学, 现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027) 3)(爱德华兹路132 号, 纽黑文 06511) ( 2015 年1 月9 日收到; 2015 年2 月19 日收到修改稿) 大数值孔径光学系统表面光线的入射角较大, 会导致薄膜的偏振分离, 诱发偏振像差, 影响光学系统的聚 焦特性. 本文利用矢量光衍射理论, 建立了光学薄膜各参量与光学系统聚焦光场的模型. 利用该模型分析了 线偏振光入射时, 光学薄膜对光学系统聚焦光斑的扰动. 在此基础上, 探讨了应用了不同约束条件下得到的 光学薄膜对最终聚焦光场的影响, 确定了减小薄膜扰动光学系统光斑的设计方法, 即额外添加透射率差和位 相差的约束条件, 并且适当增加位相差约束的权重. 利用该方法优化设计的薄膜, 相比于普通减反膜而言, 对 系统聚焦光场中心强度的提升可达约12.5%. 关键词: 光学薄膜, 偏振像差, 大数值孔径 PACS: 42.79.Wc, 42.81.Gs, 42.15.Fr DOI: 10.7498/aps.64.154214 位相板, 可以获得更锐利的聚焦光斑810 . 对于 1 引 言 受激发射损耗显微技术(STED) 中系统的初级球 差、彗差和像散, Deng 等研究了它们对三束擦除光 随着超分辨荧光显微技术获得2014 年诺贝尔 聚焦形状的影响11 . Boruah 等利用傅里叶变换的 化学奖, 包括浸没式光刻技术、生物显微技术等在 方法, 对任意偏振态的聚焦光场各个因素进行了 内的大数值孔径光学系统也引发了越来越多关注. 详细的计算, 并用Zernike 多项式的形式给出了结 大数值孔径光学系统广泛的应用领域伴随着相关 果1213 . Roichman 等针对STED 系统中界面间的 元器件设计和加工制造的复杂化, 许多的关键参数 折射率失匹, 讨论了其对擦除光形状和激发光尺寸 都是传统光学设计中所不曾涉及的. 在此类光学系 的影响14 . 但是目前的工作中, 几乎没有涉及到光 统中, 为了获得更高的分辨率, 通常采用偏振光照 学薄膜对最终聚焦特性影响的研究. 实际上, 大数 明技术13 . 由于此类光学系统本身对偏振态的要 值孔径光学系统中存在较大曲率的物镜, 其表面光 求较高, 因而无论是入射光场偏振态的分布、位相 线的入射角较大, 会导致薄膜s 光和p 光在强度和 差异还是光学系统像差都会导致入射光偏离原来 位相方面的分离, 产生薄膜诱导的偏振像差, 最终 147 的偏振态, 改变原有的聚焦特性 . 影响光学系统的聚焦特性. 针对这种情况, 本文建 目前, 对此类系统聚焦特性的研究比较火热: 立了光学薄膜琼斯矩阵和入射光场偏振态的关系. Hao 等研究了不同偏振态的入射光对聚焦尺寸的 利用矢量光衍射理论,