论文总字数：18750字

目 录

1绪论 1

1.1课题来源及研究的背景和意义 1

1.2国内外研究现状及分析 1

1.2.1微球透镜超分辨成像 1

1.2.2微球透镜辅助纳米光刻 2

2实验所用软件以及原理 3

2.1FDTD Solutions软件介绍 3

2.1.1软件的背景介绍 3

2.1.2设计流程 3

2.1.3软件界面介绍 3

2.2实验所用原理与计算方法 5

2.2.1 时域有限差分方法 5

2.2.2Mie散射理论 6

3微球透镜的聚光特性研究 7

3.1微球透镜折射率对其聚光特性的影响 7

3.1.1仿真具体操作步骤 7

3.1.2仿真实验结果 9

3.1.3仿真实验结果的分析 10

3.2微球透镜半径对其聚光特性的影响 10

3.2.1引言 10

3.2.2仿真具体操作步骤 11

3.2.3仿真实验结果 11

3.2.4仿真实验结果的分析 12

3.3环境折射率对微球聚光特性的影响 12

3.3.1仿真具体操作步骤 12

3.3.2仿真实验结果 12

3.3.3仿真实验结果的分析 13

3.4微球透镜结构对其聚光特性的影响 14

3.4.1引言 14

3.4.2仿真具体操作步骤 14

3.4.3仿真实验结果 15

3.4.4仿真实验结果的分析 15

3.5双层微球内球半径对其聚光特性的影响 15

3.5.1仿真具体操作步骤 15

3.5.2仿真实验结果 15

3.5.3仿真实验结果的分析 16

4结论 17

参考文献 17

致谢 19

微球透镜的聚光特性仿真

夏福

，China

Abstract：With the progress of society, the rapid development of science and technology, human exploration to the two limit direction. Or to the vastness of the universe, or toward smaller units, including nanotechnology has become a hot topic in recent years in the field of optics, the study found that could be seen in the light of the eyes of people with meat micron nano size, micro lens in nano beam irradiation in microspheres appear a shadow side with subwavelength focusing beam waist stable. This phenomenon in super resolution imaging, nano lithography technology, nano particle probe manufacturing, especially has a potential application in biology. The main contents of this paper are in the same the wavelength of the incident situation, through the method of changing the index radius of the microsphere size and change rate of microspheres and the introduction of double walled microspheres to observe the focused beam length, thus obtains the concentrating characteristics of micro lens.

Key words：Microsphere lens; nano-beam; double-layer microspheres; focusing characteristicsTimes New Roman

1绪论

1.1课题来源及研究的背景和意义

人们从出生开始总是怀揣着一颗好奇的心，总是想探索自己不知道的世界。我觉得正是由于这种探索的精神，我们的科学技术才会不断地进步，我们的社会才会不断地向前发展。不管是对宏观世界太空的研究，还是对于微观世界的探索，科学家总是没有停止脚步。当人们在微观世界的认识到达微米甚至纳米数量级的时候，人们终于可以更加明确地观察到肉眼所无法看到的东西。这就诞生了纳米技术，纳米技术与其他技术的结合更是成为了当下的热 门话题，尤其是与光学的结合衍生出了现在的纳米光学。

纳米光学在光刻、光学显微成像以及生物医药方面有着很重要的应用，但是这中间有一个很重要的问题就是要突破衍射极限，简单点来说就是无法获得很高的分辨率，是这些应用不能达到很理想的状态，这是一个一直困扰着研究者的问题，但是经过人们多年的研究终于找到了解决它的方法。这个方法并不是很难，只是一个小小的纳米微球透镜，研究发现这种纳米微球透镜能够聚焦并且能够突破衍射极限，而且使用起来比较方便、直接、快速。

研究人员表明，当微球透镜的尺寸和入射光波长是一个数量级别的时候，经过平面波入射之后会在微球透镜的背光部分出现photonic nanojet的景象，photonic nanojet是一个比入射光波长小点的聚焦斑点，聚焦斑点有两倍波长那么深。它和一般透镜产生的聚焦焦斑非常的类似，然而这种焦斑生成的原理却并不和一般透镜的焦斑相同。这种基于纳米光束流的新型光学操控系统称为PNJs。聚焦焦斑在形成的过程中，受到入射光波的外部因素以及微球透镜的内部因素的影响，包括微球透镜的折射率以及微球透镜的半径大小，聚焦焦斑的长度大小以及强度强弱都会有相应的变化，

聚焦焦斑朝向前方向尽可能的延伸是理想化的，这将使我们获得更大的操作空间，也有利于粒子的捕获和操作。PNJ成为捕获和操纵纳米粒子的一个有希望的候选人。

纳米微球透镜是一个虽然微小但是在有着很大潜力的东西，在纳米光学方面有着很重要的应用，它是能够突破衍射极限比较方便快捷简单的方式。如果这种方式经过不断地研究之后变得接近完美了，那么对于很多的科技产品就会有革新的作用。

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1微球透镜超分辨成像

以前人们无法通过肉眼看到一些微小的物体，但是经过科学家的不断努力，随着科学技术的进步，以透镜为基础的光学显微镜应运而生。虽然可以更清晰地观察微小物体，但是仍然无法突破衍射极限，更加细节的部分并不能被人们所看到，成像的分辨率较低，甚至没有所用显微镜一半的工作波长。

要说到显微成像的使用工具，光学显微镜在微纳米显示成像这方面绝对是首屈一指的，它种类数量较多而且应用比较广泛。其他的显微镜虽然分辨率比较高，能够到达纳米级别，但是都存在着或多或少的缺点。比如说TEM透射电子显微镜，环境条件比较苛刻，需要在真空的环境中工作，所以不能观察活体的样本，并且过程比较麻烦，观察样本必须把样本做成很薄的片状物，SEM扫描电子显微镜必须要有导电性，如果没有的话还需要使样本导电。还有的不需要在真空的环境下，气体和液体环境下都可以工作，但是不能直接现场实时观察图像，只能得到转化过之后的扫描图像。所以透镜电子显微镜有它特有的优势，它具有直接观察、操作简单的特点。

为了让电子透镜显微镜能够观察样本更加的清晰，激励着当下研究人员一直探索下去。经过研究发现，将半径为微米或者纳米数量级的微球透镜放在所要观察物体的表面，即便不是特殊的入射光比如太阳光条件的照射下，就可以比之前更加清晰，实现较高的分辨率，其他的显微镜使用这个方法也有效果。微球透镜成为当下一种先进的方式，具有比较方便、快捷、经济、实用的优势。

通过微球透镜能够解决光学显微镜分辨率低的缺点，同时又不会存在严格的环境条件以及复杂的操作流程，在不久的将来我相信微球透镜肯定能够在光学显微这方面能够起到巨大的推动作用。

1.2.2微球透镜辅助纳米光刻

自从上世纪中期光刻技术发明到目前为止，在各个方面都已经有了巨大突破。现在的光刻技术所能应用的最小尺寸甚至已经能够小于100纳米了，在科学技术以及研究领域都被广泛使用了，但是这些技术还存在着某些缺陷或者是存在着一些缺点，某种意义上来说还是阻碍了工业化的发展进程。就比如说聚焦离子术光刻法的工作精度很高，但是制造的代价相当高而且效率不是很高，性价比这方面就可以看出它不能够被广泛使用；电子束光刻法分辨率要低一些；激光干涉光刻法由于存在衍射极限是的分辨率不能达到很高，例如基于紫外光的多光束干涉光刻法设备比较昂贵得到的效果也不是很明显；近场扫描探针虽然说分辨率比较高，但这种方式的效率很低，也不能广泛被使用。

经过研究人员的不断努力，一种新型的光刻方法纳米微球辅助光刻法得到了很大的关注，这种方法效率很高、成本也比较低，总的来说可以说是接近完美。这正是利用了波长级别的纳米微球进过光的照射能够在背面形成聚焦焦斑，这个焦斑能够汇聚绝大部分的入射光的能量，并且能够突破衍射极限，正是利用这种微球透镜的聚焦的性质以及产生聚焦焦斑的强的能量能够对样本表面腐蚀，从而直接进行光刻，而且能够完成高分辨的光刻，同时以微球透镜阵列为掩膜版可以提高很大的效率。

纳米微球辅助光刻法虽然说提出的时间离我们并没有太远，但是从有这个想法到最后提出这中间还是经过了将近6年。纳米微球辅助光刻法诞生的时间离我们并不是很远。起初在纳米微球用来是污染源与样本进行分开，起到了清洁的作用，当时人们认为是由能量的吸收产生热膨胀导致的，后来新加坡国立大学的研究人员进一步研究发现，清洁过后的样本上面存在着纳米数量级的图案，这种现象是由于微球透镜对入射光有聚焦特性，是能量集中在一点导致的。在这之后微球透镜就被用来辅助光刻。现在已经能够制作出人们想要的图案的阵列，甚至已经突破了二维，可以做出难度更加高的三维的阵列。其中最重要的就是选择合适的热射光波的波长、微球透镜的大小和微球透镜的折射率，就能够快速高效的进行光刻。而且用微球透镜辅助光刻存在的不能重复实用也已经解决。

2实验所用软件以及原理

2.1FDTD Solutions软件介绍

2.1.1软件的背景介绍

FDTD Solutions这款软件是位于加拿大的Lumerical公司研发的软件。这个公司的总部是在加拿大的温哥华，它的成立的时间也不是很远，是在2003年的时候成立的。这家走在研究领域前端的软件公司研究的方向主要是用于关于系统结构方面以及纳米光学领域研究的仿真软件，FDTD Solutions就是这样一款非常优秀的单核与多核有限实域差分微纳光子学模拟分析软件。现在国际上很多高影响因子的论文能够发表得益于这个公司研发的软件，许多的光学领域的学术团队或者一些国际上的有影响的公司都会使用这个软件，之所以这个软件能够研发的那么完美，与这个公司和世界上很多纳米光学领域的专家以及科学家有着紧密的合作分不开。

FDTD Solutions仿真软件解决的是建立在3维矢量MAXWELL方程组。它运用fdtd来使得所求区域划分为不同的区域，然后一点一点进行计算，从而得到稳定状态不间断的波的情况。根据这个结果使软件能够准确分析出所仿真模型的色散性质，内部使用快速且性能比较卓越的计算引擎，计算的能力相当优秀。因此这款软件也能够仿真任何一个形状的三维模型。

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