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】本實(shí)用新型提供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]本實(shí)用新型涉及納米光子學(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。基于SPPs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 ff, Abeysinghe D C，Nelson R L, et al.Plasmonic lens madeof multiple concentric metallic rings under radially polarized illuminat1n[J].Nano letters, 2009，9(12):4320-4325.)，入射光在同心狹縫形成的M-1-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, etal.Super-Resolut1n Long-Depth Focusing by Radially Polarized Light Irradiat1nThrough Plasmonic Lens in Optical Meso_field[J].Plasmonics，2013:1-6.)。
[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, QuabisS，Leuchs G.Sharper focus for a radially polarized light beam[J].Physicalreview letters, 2003, 91 (23): 233901.Min C，Shen Z，Shen J，et al.Focused plasmonictrapping of metallic particles[J].Nature communicat1ns, 2013，4.)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型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]本實(shí)用新型采用的技術(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沫h(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]本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型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，在微納光刻、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(DOF)與焦距⑴。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]具體計(jì)算過(guò)程I =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 (/% 69, z) exp [/ {kz - ω?) ](1.1)
[0021]其中，F(xiàn)是電場(chǎng)的矢量振幅，r和^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，滿足:
[0022]VxVxE-/rE = 0(1.2)
[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，即F(r，扒2) = /?.+Fp夂，將式Q.1)代入到Q.2)中:
[0024]
P7,
VxVxE = ^2E = k2 [er ?ζ] Ftp o^[i{kz-cjt)\(1.3)
[κ_
[0025]在推導(dǎo)式(1.3)的過(guò)程中，利用了傍軸近似(#F/&2為零)，即Q1Fjdz2和的項(xiàng)均未表示。對(duì)式(1.3)中等式兩邊的項(xiàng)進(jìn)行化簡(jiǎn)，再利用慢變包絡(luò)近似(即認(rèn)為dF/dz= &F，當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)忽略SF/& )，并經(jīng)過(guò)變換就能得到一個(gè)關(guān)于&和^耦合的齊次偏微分方程組:
[0026]
\ \ d I C-F1^ I ?2 dFm I B1Fr...cF _
——r~--Fr~^ + ―~^ + 2ik~^ = O
V dr I dr J rr~ οφ r δφ~ dz
i(14)
I (? ( CF、 I? dF i C1FCF
丄1-4—+ 4-^f + 2zl^ = 0
r dr Iv dr J Γ r一 δφ r一 dqf dz
[0027]必須指出的是，上述方程組(1.4)是矢量Helmholtz方程在傍軸近似和慢變包絡(luò)近似下的橫電場(chǎng)(柱坐標(biāo)下)近似方程組，其適用于所有滿足傍軸近似和慢變包絡(luò)近似下的任意柱坐標(biāo)矢量光束。
[0028]矢量奇點(diǎn)光束的振幅在極坐標(biāo)下表示為:
[0029]
F(/% φ，ζ) = A (/% z) {cos [(/? — I)供 + % ] ?,.+ sin [(/? — I)供 + φ{(diào)) ] e<:,}(1.5)
[0030]從式(1.5)可知，對(duì)于矢量奇點(diǎn)光束，其徑向和角向分量的振幅因子分別是
[0031]
Fr = ^(/%z)cos[(/?-l)^ + f/?n]，廠;，= /i(/%z)sin[(/7 —l)p + %] (1.6)
[0032]將式(1.6)中矢量奇點(diǎn)光束的徑向和角向分量的振幅因子代入式(1.4)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)式(1.4)中的兩個(gè)方程都被化簡(jiǎn)成為同一個(gè)方程:
[0033]丄冬-;/? + 2/Α^.= 0(17)
r dr \ dr J r—dz
[0034]式(1.7)的嚴(yán)格解為:
r I Ai \ I { rK λ Γ ifi2z/(2k)~\
[0035]A{r,z)=exp - [ 0 ■ exp - H [K Jn{ F )(1.8)
I + izjZ0 、l-\-1z/z0 J\ + iz/zQ I+ iz/z0
[0036]其中，JnO是第一類(lèi)n階貝塞爾函數(shù)，β是一個(gè)常數(shù)因子，其決定這光束振幅分布，Φ = tan_1(z/z0)是Gouy相移。當(dāng)β =0時(shí),4(1"，2)就是基模高斯光束的解，Zci是基模高斯光束的瑞利距離，其值為λ^/2，w0是基模高斯光束的束腰半徑。
[0037]
卟系屮rV-1-存]-[-1 + Izfz0 { I + iz/zn JI + Izjza I + Ulz0
Γ?(1.y)
rv7 _ cos(?^ + %) 0 κ
Qx^p[ι(kz-ω?)\.L 0^\?[ηφ + φ0) ey
[0038]如果將式(1.8)代入到式(1.7)，式(1.8)是式(1.7)的一個(gè)精確解。也就是:帶有線偏振奇點(diǎn)的矢量光束是矢量Helmholtz方程在滿足傍軸近似和慢變包絡(luò)近似下的一個(gè)柱矢量光束解，其電場(chǎng)矢量形式為式(1.9)，其振幅滿足Bessel-Gaussian分布。徑向偏振Vl(/7 =1，(P、、=())即是式(1.9)中的一個(gè)特例ο
[0039]具體計(jì)算過(guò)程2:金屬介電常數(shù)
[0040]對(duì)于金屬介電常數(shù),本實(shí)用新型均使用改進(jìn)的Drude-Lorentz模型近似。該模型能清晰地表達(dá)由自由電子引起的帶內(nèi)效應(yīng)以及由束縛電子引起的帶間效應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
[0041]士(.1- ( Ω/,.「+Σ, 2.「, (/ = U,L/W)(2 I)

(0{(0 — /:「(、) / ? (Ο ； _CO ) + /似廠；
\υ^ JJ
[0042]式中ω = 2π/λ0, ωρ = 9.03eV 為金屬等離子頻率(plasma frequency), ω」為振蕩器頻率(resonance strength), f」為振蕩器強(qiáng)度(oscillator strength), Γ」為衰減系數(shù)(damping coefficient), Ωρ = ^ojii表示當(dāng)振蕩器強(qiáng)度以及衰減系數(shù)分別為f。和Γ。
時(shí)，等離子頻率與帶內(nèi)躍遷的相互作用。
[0043]表IDrude-Lorentz 模型參數(shù)
[0044]
J O I2345
fj 0.760 0.0240.0100.0710.6014.384
TjfeV 0.053 0.2410 34^0.8702 4942.214
(O, IeW 0.000 0.4150.8302.9694.30432
[0045]具體計(jì)算過(guò)程3:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0046]中心孔的透射光與半徑為Rm的同心環(huán)透射光之間的相位差滿足公式:
[0047]
Λ 2π/η 2πη^]f2 + Rm~ , , _ ,τ %1Λ
Αφ 二 2Μττ-\----9 (Μ = 1,2，3L I(3.1)
4 Λ
[0048]式中η為介質(zhì)折射率，f為焦距，λ ^為入射光真空波長(zhǎng)。當(dāng)Δ爐為O時(shí)，將產(chǎn)生多光束干涉，進(jìn)而可以確定給定焦距對(duì)應(yīng)的同心環(huán)位置。
[0049]本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0050]如圖1所示，本實(shí)施例為金膜蝕刻成的長(zhǎng)焦距、緊聚焦表面等離子體激元透鏡。其結(jié)構(gòu)為:介質(zhì)襯底1、在金屬薄膜2表面中心蝕刻的T型微孔3、帶有相位調(diào)制功能的階梯型同心環(huán)溝槽4和多級(jí)同心環(huán)5。襯底一側(cè)為入射端,金屬薄膜一側(cè)為出射端。入射光波長(zhǎng)為633nm，襯底采用石英玻璃，折射率為1.45。金屬薄膜為金膜，介電常數(shù)由公式(2.1)得出，其值為:eAu=-9.811+1.9645i，厚度為300nm。階梯型同心環(huán)溝槽4和多級(jí)同心環(huán)5半徑由公式(3.1)獲得，對(duì)于階梯型同心環(huán)溝槽4有兩個(gè)，其半徑分別為Rl = 0.99um, R2 =
1.66um,多級(jí)同心環(huán)5設(shè)有五個(gè)，其半徑分別為R3 = 2.31um, R4 = 2.96um, R5 = 3.59um,R6 = 4.23um, R7 = 4.87um,各級(jí)同心環(huán)寬度均為150nm。由此形成了金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)腔。聚焦在MM波導(dǎo)腔的邊緣處的表面等離子體激元將會(huì)激發(fā)金屬納米腔內(nèi)的MM波導(dǎo)模式，同時(shí)該模式將會(huì)在金屬納米腔內(nèi)振蕩，并散射至自由空間。對(duì)于階梯型同心環(huán)溝槽4，其階梯長(zhǎng)度為150nm,深度為150nm,利用階梯型同心環(huán)溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行相位調(diào)制,在自由空間形成緊聚焦，焦斑尺寸均為亞波長(zhǎng)量級(jí)。
[0051]如圖2所示為長(zhǎng)焦距、緊聚焦表面等離子體激元透鏡y-ζ平面視圖。
[0052]如圖3所示為徑向偏振光激發(fā)下，表面等離子體激元透鏡光場(chǎng)強(qiáng)度IEl2在y-ζ平面上的分布圖，可以看出徑向偏振光經(jīng)過(guò)透鏡后，被聚焦為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)光斑。
[0053]如圖4所示為等離子體激元透的半高寬(FWHM)，焦深(DOF)與焦距(f)，其焦距、焦深與半高寬分別為入射光波長(zhǎng)的2.61倍，1.71倍以及0.395倍。
[0054]本實(shí)用新型相對(duì)于其他表面等離子體激元透鏡，具有長(zhǎng)焦距，并在保持一定焦深的情況下，形成緊聚焦。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。該透鏡可以在較寬波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚焦。
【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)植加兄芷谛酝沫h(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)】G02B6/122GK203965658SQ201420380868
【公開(kāi)日】2014年11月26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)