CN101604034A - 一种亚波长高折射率介质孔金属结构透镜 - Google Patents
一种亚波长高折射率介质孔金属结构透镜 Download PDFInfo
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Abstract
一种亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，确定入射波长λ，基底材料，填充材料，增透膜材料及金属板材料；确定基底材料口径为L，金属板的厚度为h，基底放置于xy平面且中心在原点处；通过在金属板上制作合适边长的孔，向其内填充入高折射率介质如锗，完成所需的该点处的相位调制；(4)由所设计的透镜焦距f，得到相位与位置以及入射波长之间的关系，使得位相Φ(x，y)处于0到2π之间；(5)在金属板上进行取样，根据取样位置计算得到每一个取样点的相位延迟，然后根据相位延迟计算得到每一取样点所对应的方孔大小，在金属板中嵌入不同大小的高折射率介质孔，透镜设计完毕后，在透镜两面镀上一层高透膜，本发明设计的透镜具有高衍射效率的优点。
Description
技术领域
本发明为一种透镜结构，具体地说是一种能实现高衍射效率的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜。
背景技术
1998年，Ebbessen等人发现：当光通过亚波长金属孔阵列时，其零阶透射光谱在某些波长的透射率数值比经典孔径理论地期望值大几个数量级，这项发明引起了人们极大的兴趣，对异常透射现象的研究也随便成为热潮，此时的研究对象主要集中于二维周期性排列的孔阵列和单个亚波长金属孔，所有与异常透射有关的因素：金属结构本身的几何形状，材料，结构大小，相对位置，入射光的频率和偏振方向，周期性排列方式，以及亚波长结构周围介质种类等一一被揭露。国内陈艳中等人首先针对这种异常透射现象提出了三维亚波长金属结构透镜，但是这种结构透镜的衍射效率不高，主要是由于出瞳波前不够连续，以至于二阶衍射斑较大，衍射效率和成像质量都大大降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有亚波长金属透镜出射波前不连续导致的衍射效率不高问题，提供一种通过用高折射率介质孔代替空气孔的方法来提高衍射效率的亚波长高折射率(大于2)介质孔金属结构透镜。
本发明的技术解决方案是：一种亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，所述的透镜由均匀厚度的金属板中镶嵌折射率大于2的高折射率介质方孔，并在透镜的入射面和出射面分别镀上一层增透膜构成，所述透镜制作如下：
(1)确定所述透镜的入射波长λ、基底材料、金属板材料、填充入的高折射率介质材料和增透膜材料。
入射波长根据工作波长来确定，填充高折射率材料，基底材料以及增透膜材料根据入射波长来确定，原则是要使入射波长透过，金属材料选择可以激发表面等离子体的材料：金、银、铜、铝。
(2)确定基底的口径为L(因此所形成的金属板的口径也为L)，金属板的厚度为h，将基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射；
(3)在金属板上坐标(x，y)处制作边长为a的介质方孔，根据公式(1)得到该点出射面的相位与介质方孔边长之间的关系为：
其中φ(x，y)表示该点的相位，λ表示入射波长，h表示金属板的厚度，a表示金属板上介质方孔的边长，通过在金属板上制作介质孔，完成该点处所需的相位调制；
(4)由所设计的透镜焦距f，通过衍射理论求得表面任意点(x，y)处的相位φ，该点相位于该点位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取m值，使得位相φ(x，y)处于0到2π之间；
(5)在金属板口径L上进行取样，根据步骤(4)中的公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据步骤(1)中的公式(1)计算得到每一取样点所对应高折射率介质方孔的大小，从而在金属板中嵌入不同大小的高折射率介质孔结构，并在两面镀上一层增透膜，从而完成能实现高衍射效率的高折射率介质孔金属结构透镜制作。
所述步骤(1)中的金属板材料为金、银、铜或铝；所述步骤(1)中的填充介质材料以及基底材料为：红外材料包括硅或锗；或可见光材料，包括石英或者玻璃；所述步骤(1)中的增透膜为红外材料，包括硅或锗，ZnS，由高折射率介质材料决定。
所述步骤(2)中的金属板的厚度为0.3λ～2λ，其中λ为入射波长。
所述步骤(3)中的金属方孔大小变化范围在0.13λ～0.5λ。所述步骤(3)和步骤(5)中的高折射率介质孔的边长小于入射波长，即为亚波长量级。所述步骤(4)中透镜上各取样点按正方形排布、或平方点阵排布、可旋转对称式排布、或按照随机排布以及其他非规则排布，只要孔的深度在位置(x，y)满足(1)式和(2)式要求，并且孔与孔之间不发生交叠即可。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
(1)本发明所制作的高折射率介质孔金属结构透镜，由于使用的是高折射率介质孔结构，出射波前变的连续，所以能获得高的衍射效率。
(2)本发明所制作的透镜为衍射型透镜，所有孔结构为亚波长结构，只有零级衍射光透过，所以旁瓣很小，可实现好的成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构主视示意图；
图2为图1的结构侧面示意图；
图3本发明的金属板中高折射率介质孔的结构示意图；
图4为实施实例1中高折射率介质孔的大小与位相延迟的关系图；
图5为本发明实施实例1的出瞳波前；
图6为现有的为空气孔金属结构透镜的出瞳波前；
图7为本发明实施例2的透镜的结构主视示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对发明进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包含权利要求书中的全部内容.而且本领域的技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1、2所示，本发明的透镜结构由均匀厚度的金属板2中镶嵌折射率大于2的高折射率介质方孔3构成，为了减少高折射率介质和空气两种介质的阻抗不匹配，在透镜的入射面和出射面镀上分别一层增透膜1。
实施例1，本发明的透镜的具体过程如下：
(1)选取入射波长为10.6μm，基底材料和填充材料均用锗，折射率为4，即ε＝16，金属材料为银；其中银层是覆盖在基底材料锗表面上的，可以采用现有的微细加工工艺如离子溅射工艺制作而成；
(2)确定金属薄膜的厚度为0.5λ，即为5.3μm；金属板中高折射率介质方孔的结构示意图如图1、3所示；
(3)假设入射角为0度，各点厚度均相同，通过求解
形成的方程，便可获得方孔大小跟相位延迟φ之间的关系如图4所示，从图4中可以看出，选取的方孔边长为1.4μm到2.52μm之间，即可完成相位延迟从0到2π的调制，也就是完成了一个相位调制周期；
(4)透镜的焦距为50μm，那么在元件表面每一点r处的相位φ可以通过下述公式来计算：
其中m为任意整数，在此选取适当的m值，以保证相位φ(r)处于0到2π之间；例如当
的值等于1.4π时，m的值应该等于0，当的值等于3.4π时，m的值应该等于-1。
透镜的相位取样点按旋转对称分布，如图1所示，在径向取样间距为3μm；孔间距尽量小，但是孔与孔不能交叠，达到单位面积的孔密度增大，以致出射波前变的更连续，出射波前如图5所示。
(5)根据前述的公式(1)、(2)来确定实现每抽样点相位延迟所需要的方孔大小，设计而成口径100μm的位相型高折射率介质孔金属结构透镜，在完成透镜制作后，在透镜的入射面和出射面镀上一层增透膜，本发明通过孔大小调制位相，所得亚波长金属结构透镜示意图如图1、2所示。
实施例2，本发明的透镜的具体过程如下：
(1)选取入射波长为1.06μm，基底材料和填充材料均用GaAs，折射率为3.5，即ε＝12.25，金属材料为金；其中金层是覆盖在基底材料GaAs表面上的，可以采用现有的微细加工工艺如离子溅射工艺制作而成；
(2)确定金属薄膜的厚度为0.5λ，即为0.53μm；金属板中高折射率介质方孔的结构示意图如图3所示；
(3)假设入射角为0度，各点厚度均相同，通过求解形成的方程组，便可获得方孔大小跟相位延迟φ之间的关系如图4所示，从图4中可以看出，选取的方孔边长为0.16μm到0.288μm之间，即可完成相位延迟从0到2π的调制，也就是完成了一个相位调制周期；
(4)透镜的焦距为50μm，那么在元件表面每一点(x，y)处的相位φ可以通过下述公式来计算：
其中m为任意整数，在此选取适当的m值，以保证相位φ(x，y)处于0到2π之间；此时m的值取0和-1。
透镜的相位取样点按点阵分布，如图7所示，在径向取样间距为0.3μm；孔与孔的间距尽量小，但是孔与孔不能交叠，达到单位面积的孔密度增大，出射波前更连续；
(5)根据公式(1)、(2)来确定实现每抽样点相位延迟所需要的方孔大小，设计而成口径100μm的位相型高折射率介质孔金属结构透镜。在完成透镜制作后，在透镜的入射面和出射面镀上一层增透膜，所得亚波长金属结构透镜的结构示意图如图7所示，相位取样点按点阵分布示意图。
本发明的透镜相对于以前的空气孔透镜所具有的优点是：波前连续了，使得衍射效率提高。图6所示为空气孔金属结构透镜的出瞳波前，图5为本发明高折射率介质孔金属结构透镜出瞳波前，两者具有相同的口径和焦距，可以看出，本发明的高折射率介质孔金属结构透镜的出瞳波前更连续，接近理想波前。由于出瞳波前变连续，使得衍射效率提高，表1可以看出衍射效率大大提高。
表1
| 金属结构透镜类型 | 由空气孔组成 | 由高折射率介质孔组成 |
| 透过率(t) | 57.6％ | 58.5％ |
| 衍射效率(η) | 22.8％ | 47.2％ |
Claims (8)
1、一种亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征于：所述的透镜由均匀厚度的金属板中镶嵌折射率大于2的高折射率介质方孔，并在透镜的入射面和出射面分别镀上一层增透膜构成，所述透镜制作如下：
(1)确定所述透镜的入射波长λ、基底材料、金属板材料、填充入的高折射率介质材料和增透膜材料；
(2)确定基底的口径为L，金属板的厚度为h，将基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射；
(3)在金属板上坐标(x，y)处制作边长为a的介质方孔，根据公式(1)得到该点出射面的相位与介质方孔边长之间的关系为：
其中φ(x，y)表示该点的相位，λ表示入射波长，h表示金属板的厚度，a表示金属板上介质方孔的边长，通过在金属板上制作介质孔，完成该点处所需的相位调制；
(4)由所设计的透镜焦距f，通过衍射理论求得表面任意点(x，y)处的相位φ，该点相位与该点位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取m值，使得位相φ(x，y)处于0到2π之间；
(5)在金属板口径L上进行取样，根据步骤(4)中的公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据步骤(1)中的公式(1)计算得到每一取样点所对应介质方孔的大小，从而在金属板中嵌入不同大小的高折射率介质孔结构，并在两面镀上一层增透膜，从而能实现亚波长高折射率介质孔金属结构透镜。
2、根据权利要求1所述的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(1)中的金属板材料为金、银、铜或铝。
3、根据权利要求1所述的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(1)中的填充介质材料以及基底材料为：红外材料包括硅或锗；或可见光材料，包括石英或者玻璃。
4、根据权利要求1所述的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(1)中的增透膜材料为硅或锗，或ZnS。
5、根据权利要求1所述亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(2)中的金属板的厚度为0.3λ～2λ，其中λ为入射波长。
6、根据权利要求1所述的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(3)中的介质方孔大小变化范围在0.13λ～0.5λ。
7、根据权利要求1所述的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(5)中的高折射率介质孔的边长小于入射波长，即为亚波长量级。
8、根据权利要求1所述的亚波长高折射率介质孔金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(4)中透镜上各取样点按正方形排布、或平方点阵排布、可旋转对称式排布、或按照随机排布以及其他非规则排布，只要孔的深度在位置(x，y)满足(1)式和(2)式要求，并且孔与孔之间不发生交叠即可。
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