基于氧化石墨烯光学非线性的超分辨光场检测研究

摘要

微纳米技术已经潜移默化地渗透到科研和生活的各个领域，随着科学技术日渐向微型化、集成化方向发展，各类功能器件的结构尺寸逐渐向纳米量级靠拢，在给予人们极大便捷的同时，也衍生出一系列测试计量方面的问题。微纳光学检测技术作为一种常用的检测物体微纳结构的技术，具有非接触测量、无损伤、测量范围广、速度快等特点，长期以来受到科研工作者的青睐。但是由于光学本征衍射极限的存在，遏制了其测量精度的进一步提高，难以满足日益精密的微纳结构器件的检测需求。本文提出了一种巧妙绕过衍射极限的超分辨检测方法，在传统微纳光学检测技术的基础上，利用氧化石墨烯(GO)薄膜强烈的非线性饱和吸收特性进一步减小聚焦光场的尺寸，最终在理论和实验上生成了超分辨光场。超分辨光场不仅在微纳光学检测及超分辨成像领域有巨大的应用价值，同时可以广泛应用于高密度数据存储、粒子操控、微纳加工和光学刻录等领域。 本文通过真空抽滤法制备得到GO薄膜，同时分析了其微观形貌和线性光学参数。在波长532 nm和脉宽350 fs的飞秒激光激发下，利用Z-scan检测技术测定了 GO薄膜的三阶光学非线性系数，并进行了理论和实验数据的拟合。通过调节所用的飞秒激光脉冲能量，实现了连续灵活调控 GO薄膜的非线性饱和吸收能力。在本文中，GO 薄膜的作用相当于一个独特的振幅滤波器，利用其非线性饱和吸收特性调控光场振幅分布，将 GO薄膜放置在入射飞秒光束的焦点位置，可以使高强度激光低损耗通过，而低强度激光则被大量吸收，灵活运用光场振幅分布特性实现光斑裁剪。 文中提出了分析光场与薄膜材料相互作用的多层系统模型，利用该模型计算并模拟了光束入射 GO薄膜过程中光强分布随入射深度变化的情况，同时展示了GO薄膜剖面吸收分布，更加直观的探究光束在GO薄膜内部的变化及整个作用过程的机理，并且通过优选参数条件最终实现半波全宽小于λ/3的分辨率，超越了衍射极限。 此外，我们调控并检测光场的偏振态分布，生成了径向偏振光，利用径向偏振光的紧聚焦特性结合 GO薄膜非线性效应的光斑裁剪能力，进一步使聚焦光斑的半波全宽接近于λ/5，从而达到更高的分辨率，并在理论上分析了矢量光束生成超分辨光场的机理。

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