一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡，包括介質(zhì)襯底和位于介質(zhì)襯底上的金屬薄膜，在金屬薄膜中心蝕刻有一個(gè)T型微孔，微孔的周?chē)植加兄芷谛酝沫h(huán)結(jié)構(gòu)，周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)包括帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽以及外圍的同心環(huán)溝槽。徑向偏振光由底部入射，通過(guò)金屬-介質(zhì)-金屬型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從各個(gè)方向高效激發(fā)Spps，處于中心的T型微孔在增加透射光強(qiáng)的同時(shí)，中心孔透射光與散射至自由空間的Spps由于多模干涉形成緊聚焦，調(diào)節(jié)階梯型同心環(huán)溝槽出口處相位，配合天線效應(yīng)，通過(guò)多光束干涉，可以進(jìn)一步壓縮焦斑，增大焦點(diǎn)的光強(qiáng)，改善透鏡聚焦特性，實(shí)現(xiàn)徑向偏振光激發(fā)下的長(zhǎng)焦距的亞波長(zhǎng)緊聚焦。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種徑向偏振光激發(fā)下的長(zhǎng)焦距、緊 聚焦表面等離子體激元透鏡。

【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是局域在金屬表面的一 種電磁波模式，是在金屬-介質(zhì)界面上光和金屬表面的自由電子相互作用激發(fā)并耦合電荷 密度起伏的電磁振蕩，具有近場(chǎng)增強(qiáng)、表面受限、短波長(zhǎng)等特性，在納米光子學(xué)的研究中扮 演著重要角色?；赟PPs的各種納米光子器件被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)納米全光集成回路 的基礎(chǔ)。由于Spps具有短波長(zhǎng)特性和很強(qiáng)的表面束縛性，能夠被聚焦成一個(gè)突破衍射極限 的緊聚焦光斑。表面等離子體激元透鏡（Plasmonic lens，PL)就是一種能夠有效激發(fā)和操 控SPPs實(shí)現(xiàn)緊聚焦的亞波長(zhǎng)納米光器件，在亞波長(zhǎng)光學(xué)、超分辨成像、納米光刻、近場(chǎng)成像 與探測(cè)、納米粒子操控等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)等離子體激元透鏡結(jié)構(gòu)，可以控 制焦斑的尺寸，形狀和強(qiáng)度，近年來(lái)諸如狹縫-光柵型透鏡、同心環(huán)型透鏡、微孔陣列型透 鏡等各種等離子體激元透鏡結(jié)構(gòu)被提出。
[0003] 如何實(shí)現(xiàn)高能量效率的緊聚焦焦斑是等離子體激元透鏡設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。通 常情況下，激發(fā)光束為線/圓偏振光時(shí)，光束只能在一個(gè)方向上激發(fā)Spps，效率較低。柱對(duì) 稱(chēng)矢量光束是振幅和相位都呈軸對(duì)稱(chēng)分布的矢量光束，徑向偏振光是柱對(duì)稱(chēng)矢量光束的一 種，由于其偏振方向的特殊性，徑向偏振光獨(dú)特的聚焦特性引起了人們的大量研究。其中， 徑向偏振光比均勻偏振分布的光可以被聚焦到更小的空間中。在強(qiáng)聚焦下，徑向偏振光會(huì) 產(chǎn)生縱向分量，從而聚焦光斑在三維空間中呈現(xiàn)梭形。由于徑向偏振光電場(chǎng)分布的特殊性， 可以從各個(gè)方向激發(fā)Spps，同時(shí)增加狹縫數(shù)，以增加照射面積，可提高激發(fā)效率，如Chen W 等人提出的 PL 透鏡（Chen W，Abeysinghe D C, Nelson R L，et al. Plasmonic lens made of multiple concentric metallic rings under radially polarized illumination[J]. Nano letters, 2009, 9(12) :4320-4325.)，入射光在同心狹縫形成的M-I-M結(jié)構(gòu)中激發(fā) Spps，并在透鏡表面?zhèn)鞑?，在透鏡中心形成極值，但是由于其強(qiáng)度主要集中在透鏡表面，其 應(yīng)用范圍也受到大大限制。Ruobing Peng等人在這一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加環(huán)形狹縫和同心的 溝槽，將激發(fā)的Spps散射到自由空間，通過(guò)干涉形成聚焦，實(shí)現(xiàn)了一種超長(zhǎng)焦深，高分辨率 透鏡，其焦距為 2.1 λ。，半高寬（FWHM)為 0.44 λ。，焦深為 2. 65 λ。(Peng R，Li X，Zhao Z，et al. Super-Resolution Long-Depth Focusing by Radially Polarized Light Irradiation Through Plasmonic Lens in Optical Mes〇-field[J]· Plasmonics，2013:1-6.) 〇
[0004] 徑向偏振光能更高效的激發(fā)SPP獲得更佳的場(chǎng)局域增強(qiáng)效應(yīng)，進(jìn)一步優(yōu)化SPP透 鏡生成突破衍射極限的高質(zhì)量焦場(chǎng)，同時(shí)能夠靈活調(diào)節(jié)焦距、焦深以及有效抑制旁瓣，在 納米光刻、共聚焦顯微、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光鑷技術(shù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景（Dorn R，Quabis S，Leuchs G.Sharper focus for a radially polarized light beam[J]. Physical review letters，2003, 91 (23) :233901. Min C，Shen Z，Shen J，et al· Focused plasmonic trapping of metallic particles[J]. Nature communications, 2013,4.)〇


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種新型表面等離子體激元透鏡結(jié)構(gòu)，在徑向偏振光激發(fā) 下，突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦距亞波長(zhǎng)緊聚焦。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案：
[0007] -種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡，包括介質(zhì)襯底和位于介質(zhì) 襯底上的金屬薄膜，在金屬薄膜中心蝕刻有一個(gè)T型微孔，微孔的周?chē)植加兄芷谛酝?環(huán)結(jié)構(gòu)，所述周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)包括帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽以及外圍的同心環(huán)溝 槽。
[0008] 進(jìn)一步地，所述帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽為階梯型。
[0009] 所述介質(zhì)襯底為入射端，金屬薄膜為出射端。
[0010] 所述周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸與工作波長(zhǎng)具有相同量級(jí)，但小于工作波長(zhǎng)。
[0011] 優(yōu)選地，所述帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽數(shù)量為2個(gè)，所述外圍的同心環(huán)溝 槽數(shù)量為5個(gè)。
[0012] 本發(fā)明是一種新穎的徑向偏振光激發(fā)下的長(zhǎng)焦距、緊聚焦表面等離子體激元透 鏡。徑向偏振光由底部入射，利用同心環(huán)形成的金屬-介質(zhì)-金屬型波導(dǎo)，從各個(gè)方向高效 激發(fā)表面等離子體激元，處于中心的T型微孔增加透射光強(qiáng)的同時(shí)，中心孔透射光與散射 至自由空間的Spps由于多模干涉形成亞波長(zhǎng)量級(jí)緊聚焦光斑。通過(guò)設(shè)計(jì)階梯型同心環(huán)溝 槽以及多級(jí)同心環(huán)，調(diào)節(jié)表面等離子體激元傳播常數(shù)，從而達(dá)到調(diào)制光場(chǎng)相位的目的，配合 天線效應(yīng)，通過(guò)多光束干涉，可以進(jìn)一步壓縮焦斑，增大焦點(diǎn)的光強(qiáng)，改善透鏡聚焦特性，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)高能量效率的長(zhǎng)焦距亞波長(zhǎng)緊聚焦。通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度和寬度，階 梯結(jié)構(gòu)深度、寬度或漸變規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離子體激元相位的調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦 性能的調(diào)制。本發(fā)明的表面等離子體透鏡結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，易于高質(zhì)量制備，在微納光 亥IJ、光學(xué)微操作、以及集成光器件等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1 (a)和（b)為徑向偏振光激發(fā)下的長(zhǎng)焦距、緊聚焦表面等離子體激元透鏡剖面 視圖與俯視圖。
[0014] 圖2為表面等離子體激元透鏡yz平面視圖；圖中有介質(zhì)襯底1、金屬薄膜2、中心 蝕刻的T型微孔3、帶有調(diào)制相位功能的、配有階梯反射結(jié)構(gòu)的階梯型同心環(huán)溝槽4與多級(jí) 同心環(huán)5。
[0015] 圖3為徑向偏振光激發(fā)下表面等離子體激元透鏡光場(chǎng)分布；
[0016] 圖4為等離子體激元透聚焦特性，即半高寬（FWHM)，焦深（D0F)與焦距⑴。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。
[0018] 具體計(jì)算過(guò)程1 :Bessel_Gaussian型矢量光束表達(dá)式
[0019] 對(duì)于一個(gè)在自由空間中沿Z方向傳播的單色的矢量光束，其電場(chǎng)矢量E在柱坐標(biāo) 下能被寫(xiě)成：
[0020] E = F(/\69iz)cxp[/(fe-^)] (1.1)
[0021] 其中，F(xiàn)是電場(chǎng)的矢量振幅，r和P是柱坐標(biāo)，k = ω/c是該單色光的角頻率，C是 真空中的光速。這個(gè)光束的電場(chǎng)矢量在矢量Helmholtz規(guī)范下是成立的，滿(mǎn)足：
[0022] VxVxE-/c2E = 0 Π .2)
[0023] 由于激光腔內(nèi)產(chǎn)生的光束的縱向電場(chǎng)分量一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫向電場(chǎng)，因而假設(shè)矢 量光束只有橫向分量匕和盡，gpF(r系= ，將式Q. !)代入到Q.2)中：
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡，包括介質(zhì)襯底和位于介質(zhì)襯 底上的金屬薄膜，其特征在于，在金屬薄膜中心蝕刻有一個(gè)T型微孔，微孔的周?chē)植加兄?期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)，所述周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)包括帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽以及外圍的 同心環(huán)溝槽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡，其特 征在于，所述帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽為階梯型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透鏡，其特 征在于，所述介質(zhì)襯底為入射端，金屬薄膜為出射端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透 鏡，其特征在于，所述周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸與工作波長(zhǎng)具有相同量級(jí)，但小于工作波長(zhǎng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的一種徑向偏振光下的長(zhǎng)焦、緊聚焦表面等離激元透 鏡，其特征在于，所述帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽數(shù)量為2個(gè)，所述外圍的同心環(huán)溝槽 數(shù)量為5個(gè)。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK104090332SQ201410329187
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】陸云清, 呼斯楞, 陸懿, 許吉, 王瑾 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)