CN101349771A - 一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构 - Google Patents

Abstract

一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于包括下列步骤：(1)选择入射光，其波长为λ；(2)选择金属材料和介质材料，介电常数分别为ε_m和ε_d；(3)交替排布金属薄膜和介质薄膜材料，形成多层金属介质薄膜结构，其中金属和介质单层膜层厚度分别为d_m和d_d，多层金属介质膜的总厚度为d；(4)将物点放置于多层膜材料的一侧，并用入射光来照射，在另一侧即可成像，其物像之间的距离为d+(ε_s(ε_d+ε_m)/(ε_s ²+ε_dε_m))·d；(5)步骤(3)所得结构即为能够实现超分辨成像功能的金属介质膜结构。本发明的金属介质膜结构，不需要金属和介质的介电常数匹配，只要在结构参数选择上满足特定条件，即可实现倏逝波放大，从而可以大大拓展实现超分辨成像的工作波长。

Description

一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构

技术领域

本发明涉及一种用于超分辨成像的结构，特别涉及一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构。

背景技术

根据阿贝-瑞利判据，成像系统的分辨率受到入射光波长和数值孔径的严格限制，理论上分辨的距离不可能小于1/2波长，显微镜作为一种常用的光学系统，虽然可以用来对微细结构进行近百倍的放大观测，但也要受到分辨极限的限制；这是由于当光入射到物体表面的时候，一部分传播波成份会与物体表面相互作用后向外传播，但还有一些携带物体亚波长结构信息的倏逝波成份被束缚在物体表面不能向外传播，传统成像系统探测的信息不包含倏逝波成份，从而对物体结构的分辨能力受到了限制。超越衍射极限分辨的光学超分辨成像系统的研究在科研、医学、检测等方面均有重要的意义。

目前，有几种方法可以实现超分辨成像，扫描近场光学显微镜(SNOM)(D.W.Pohl，D.Courjon，Near Field Optics，Kluwer，The Netherlands，1993)，superlens(“Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens”；Nicholas Fang，Hyesog Lee，Cheng Sun，Xiang Zhang.Science 2005，308，534-537)等。扫描近场光学显微镜是采用探针探测近场的倏逝波信息，记录信息并通过数据处理来还原物体的表面信息，但由于探针是逐行扫描的，所以扫描过程缓慢，不利于生物探测等需要实时反应物体表面变化的情况。

2000年，J.B.Pendry提出超透镜(Superlens)思想，可以实现超越衍射极限分辨的成像(Phys.Rev.Lett.85，3966-3969(2000))。其原理是，选择金属薄膜结构，当金属材料的介电常数ε_m与周围介质介电常数ε_d匹配，即满足ε_m+ε_d＝0，此时，薄膜支持的表面等离子体模式发生共振，金属薄膜对携带超分辨物空间信息的倏逝光波进行放大和传输，在薄膜的另一侧实现超分辨成像。由于金属介电常数在不同波长下变化非常大，对于给定的金属和介质材料，匹配条件只能在特定波长附近才能满足，这就大大限制了Superlens可以选择的工作波长范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服superlens成像结构对材料介电常数匹配要求和对工作波长的限制，提出了一种可以在介电常数不匹配的情况下，实现特定光波长下的超分辨成像结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于包括下列步骤：

(1)选择入射光，其波长为λ；

(2)选择金属材料和介质材料，介电常数分别为ε_m和ε_d；

(3)交替排布金属薄膜和介质薄膜材料，形成多层金属介质薄膜结构，其中金属和介质单层膜层厚度分别为d_m和d_d，多层金属介质膜的总厚度为d；

(4)将物点放置于多层膜材料的一侧，并用入射光来照射，在另一侧即可成像，其物像之间的距离为 $d+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s({\mathrm{\ϵ}}_d+{\mathrm{\ϵ}}_m)}{{\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·d;$

(5)步骤(3)所得结构即为能够实现超分辨成像功能的金属介质膜结构。

所述步骤(1)中的入射光为单色可见光。

所述步骤(2)中的金属材料可以为可激发表面等离子体的金属金、或银、或铜、或铝。

所述步骤(2)中的介质材料为各种可以成膜的光学薄膜介质材料。

所述步骤(3)中的单层金属膜和介质膜的厚度可以为λ/40到λ/10。

所述步骤(3)中的总的膜层厚度d为λ/5到λ/2。

所述步骤(3)中介质膜层所占比例满足 $\frac{d_d}{d_m+d_d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d({\mathrm{\ϵ}}_s^2-{\mathrm{\ϵ}}_m^2)}{({\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m)({\mathrm{\ϵ}}_d-{\mathrm{\ϵ}}_m)},$ 其中ε_s为多层金属介质膜两侧空间填充介质的介电常数，填充介质可以为空气、或水、或乙醇、或光刻胶等气体或液体。

所述步骤(4)中在放置物点时，其距离多层膜材料表面的距离应该小于 $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s({\mathrm{\ϵ}}_d+{\mathrm{\ϵ}}_m)}{{\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·d.$

本发明的实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，在功能上类似一种各向异性的人工结构金属材料；其基本原理类似Pendry提出的Superlens成像机制。根据工作波长和选择金属介质材料的介电常数，通过调节薄膜厚度，可以调节等效的各向异性介电响应常数。选择合适的薄膜参数，即可将表面等离子体模式调节到共振状态，实现倏逝波信息的放大传输，从而得到超分辨成像。

本发明与现有superlens超分辨成像技术相比所具有的优点为：构成superlens金属和介质材料的介电常数需要匹配，即ε_m+ε_d＝0。但是对选择的金属和介质，匹配条件只能在特定波长下实现；本发明提出多层金属介质薄膜结构，只要在结构参数选择和材料的介电常数满足特定条件，即可实现倏逝波放大和超分辨成像，从而可以大大拓展工作波长的可选择范围。

附图说明

图1是一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

本实施例为一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其具体实现方式步骤如下：

(1)选择入射光波长λ为442nm；

(2)选择金属材料为银，介质材料为GaP，其膜层厚度分别为d_m和d_d，在入射波长442nm下，金属材料和介质材料的介电常数分别为-5+0.5i和12；

(3)如附图1所示，将银膜和GaP膜交替排列构成多层膜结构，其中金属材料膜的层数为10层，介质材料膜的层数为10层，取该多层膜结构的总厚度d为200nm；紧贴多层膜结构两侧为抗蚀剂，其介电常数为ε_s＝2.25；根据 $\frac{d_d}{d_m+d_d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d({\mathrm{\ϵ}}_s^2-{\mathrm{\ϵ}}_m^2)}{({\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m)({\mathrm{\ϵ}}_d-{\mathrm{\ϵ}}_m)},$ 银膜和GaP膜的单层厚度分别为5nm和15nm；

(4)将物点放置于多层膜材料的一侧，取物跟该多层膜结构表面的距离为30nm；用波长λ为442nm的入射光来照射物体，其散射光包含了物的结构信息，经过多层膜结构的放大传输，在多层膜结构的另一侧会有像出现，物像之间的距离，根据 $d+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s({\mathrm{\ϵ}}_d+{\mathrm{\ϵ}}_m)}{{\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·d,$ 约为260nm；像跟多层膜结构另一侧表面的距离为30nm；

(5)步骤(3)所得结构即为能够实现超分辨成像功能的金属介质膜结构。

Claims (8)

1、一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于包括下列步骤：

(1)选择入射光，其波长为λ；

(2)选择金属材料和介质材料，介电常数分别为ε_m和ε_d；

(3)交替排布金属薄膜和介质薄膜材料，形成多层金属介质薄膜结构，其中金属和介质单层膜层厚度分别为d_m和d_d，多层金属介质膜的总厚度为d；

(4)将物点放置于多层膜材料的一侧，并用入射光来照射，在另一侧即可成像，其物像之间的距离为 $d+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s({\mathrm{\ϵ}}_d+{\mathrm{\ϵ}}_m)}{{\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·d;$

(5)步骤(3)所得结构即为能够实现超分辨成像功能的金属介质膜结构。

2、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(1)中的入射光为单色可见光。

3、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(2)中的金属材料可以为可激发表面等离子体的金属金、或银、或铜、或铝。

4、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(2)中的介质材料为各种可以成膜的光学薄膜介质材料。

5、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(3)中的单层金属膜和介质膜的厚度可以为λ/40到λ/10。

6、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(3)中的总的膜层厚度d为λ/5到λ/2。

7、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(3)中介质膜层所占比例满足 $\frac{d_d}{d_m+d_d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d({\mathrm{\ϵ}}_s^2-{\mathrm{\ϵ}}_m^2)}{({\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m)({\mathrm{\ϵ}}_d-{\mathrm{\ϵ}}_m)},$ 其中ε_s为多层金属介质膜两侧空间填充介质的介电常数，填充介质可以为空气、或水、或乙醇、或光刻胶等气体或液体。

8、根据权利要求1所述的一种实现超分辨成像功能的金属介质膜结构，其特征在于：步骤(4)中在放置物点时，其距离多层膜材料表面的距离应该小于 $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s({\mathrm{\ϵ}}_d+{\mathrm{\ϵ}}_m)}{{\mathrm{\ϵ}}_s^2+{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\ϵ}}_m}\·d.$

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