CN102862950B - 一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，首先确定入射波长，选取合适的透光基底材料，基底上再蒸镀一层金属膜，让入射光垂直于金属膜表面入射；利用纳米加工技术在金属膜上加工等宽度的狭缝或者环形缝阵列；对于预定焦点位置的光聚焦，计算光在焦点位置聚焦时光波在不同位置排布的狭缝或者环形缝的位相延迟分布，通过聚焦离子束引导沉积特定厚度的介质满足光波在不同位置排布狭缝或者环形缝的位相延迟要求，使金属聚焦透镜实现对入射光在预定焦点位置的聚焦。本发明根据预定的焦点位置来改变金属聚焦透镜的狭缝或者环形缝内介质厚度沉积以实现近场或者远场光聚焦，同时其透镜结构简单，可很方便的用于光路系统集成，具有广阔的应用前景。

Description

一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法

技术领域

本发明涉及金属膜上加工狭缝或者环形缝的聚焦装置的技术领域，特别涉及一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，该纳米缝隙金属聚焦透镜具体为纳米狭缝介质沉积调制相位的纳米金属聚焦透镜。

背景技术

近年来，基于表面等离子体位相调制的金属结构纳光子器件设计引起人们的极大关注。通过表面等离子体在金属狭缝的反对称色散特性，表面等离子体在金属狭缝的传播常数由缝隙宽度和缝隙材料的介电常数决定。现有金属结构纳光子器件设计的位相调制都是通过调节金属膜上狭缝宽度，从而实现亚波长尺度下的位相调制。然而，改变金属缝隙宽度调节位相的能力非常有限。为了实现周期范围（0到2π）范围内的位相变化，通常要求金属狭缝的宽度小于20纳米，金属膜厚度大于200纳米。现有纳米加工技术手段加工高深宽比（>10：1）的金属狭缝具有非常大的难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，利用表面等离子体的传播特性提出一种纳米缝隙金属聚焦透镜及制备方法，方便用于光路系统集成的包含纳米级缝隙的金属透镜。

本发明解决其技术所采用的技术方案：一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤（1）、选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择可以透光的基底材料；

步骤（2）、在基底表面蒸镀厚度为d的金属膜，入射光垂直于金属膜上表面入射；

步骤（3）、取垂直穿过金属膜的中心为中轴，假设中轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，在金属膜上表面取过原点的某方向为x轴方向，确定x轴正方向，利用纳米加工技术在金属膜上加工宽度w的多组狭缝或者多组同心环形缝；

步骤（4）、对于预定焦点位置f的光聚焦，利用聚焦离子束在狭缝或者环形缝内引导沉积满足等光程要求的不同介质厚度，加工出纳米缝隙金属聚焦透镜。

步骤（4）中的不同介质厚度数据可以通过下述步骤得到。

步骤①、通过公式（1）、（2）、（3）和（4）计算，可以得到光波金属膜上狭缝或者环形缝的沉积介质和空气区域中的位相延迟Δφ_die和Δφ_air：

$\tanh (\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_d}w/2)=\frac{-{\mathrm{\ϵ}}_d\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_m}}{{\mathrm{\ϵ}}_m\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_d}}---\left(1\right)$

$\tanh (\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_0}w/2)=\frac{-{\mathrm{\ϵ}}_0\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_0}}{{\mathrm{\ϵ}}_m\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(2\right)$

Δφ_die＝β_dieh     （3）

Δφ_air＝β_air(d-h) （4）

其中，k₀是光在自由空间中的波矢，ε₀、ε_d和ε_m分别是空气、沉积介质和金属的介电常数，w为狭缝或者环形槽的宽度，h为聚焦离子束在狭缝或者环形缝内引导沉积的介质厚度，β_die和β_air表示光波在狭缝或者环形槽的沉积介质和空气区域中的传播常数。

步骤②、对于金属膜上第一个狭缝或者环形缝分布位置x₁，聚焦离子束引导沉积材料厚度h，位相延迟可由公式（5）得出：

$\mathrm{\Δ\φ}\left(x_1\right)={\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{air}}+{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{die}}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\left(\sqrt{f^2+{x_1}^2}\right)---\left(5\right)$

其中，f是预定焦点位置，Δφ_die和Δφ_air表示光波在狭缝或者环形缝的位相延迟。以此类推，对于第i（i＞2）个狭缝或者环形缝的分布位置x_i，光波的位相延迟可由（5）式计算。

步骤③、依据等光程原理，对于预定焦点位置f的光聚焦，光波金属膜上各个狭缝或者环形缝的位相延迟满足2nπ+φ₀。结合公式（3）、（4）和（5），可以得到金属膜上狭缝或环形缝分布位置x₁沉积的介质厚度：

$h_1=(2\mathrm{m\π}+{\mathrm{\φ}}_0-2\mathrm{\π}\sqrt{f^2+x_1^2}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}d)/({\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}})---\left(6\right)$

其中φ₀由预定焦点位置决定满足0~2π范围的位相延迟。以此类推，对于第i（i＞2）个狭缝或者环形缝沉积的介质厚度h_i，沉积的介质厚度可由（6）式计算。

所述步骤（1）中的可透光的基底材料的可以为硅，二氧化硅。

所述步骤（1）中的选取的入射光的偏振模式线偏振或者圆偏振。

所述步骤（2）中的金属膜的厚度d一般为200纳米到1微米。

所述步骤（2）中的金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铜或铝。

所述步骤（3）中的金属膜上加工图形为等宽度狭缝或者环形缝。

所述步骤（3）中的金属膜上狭缝或者环形缝的宽度w一般为50纳米到400纳米。

所述步骤（4）中φ₀由预定焦点位置决定满足0~2π范围的位相延迟。

所述步骤（4）中沉积的介质厚度改变量在0～d内。

所述步骤（4）中选择易于聚焦离子束引导沉积的材料。

所述步骤（4）中金属膜上狭缝或者环形缝中沉积材料可以为二氧化硅、硅。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：提出通过纳米缝隙介质沉积调制位相的新思路，设计一种纳米缝隙金属聚焦透镜及制备方法，该透镜可以实现近远场区域内的光聚焦；相比于通过狭缝宽度调制位相延迟的金属结构纳光子器件，拓展金属狭缝位相延迟调制的手段。同时，该金属膜透镜结构非常简单，可以很方便的用于光路系统集成，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所设计的金属聚焦透镜的剖面图；

图2是本发明实施例所设计的金属聚焦透镜的俯视图；

图3为本发明实施例设计所得的金属聚焦透镜的光场；

图中：1为基底二氧化硅，2为金属铝，3为通光的空气缝隙。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

本发明实施例的具体步骤如下：

步骤（1）、选择入射光波长λ为532纳米的激光光源，选择透明基底材料二氧化硅；

步骤（2）、在基底表面蒸镀厚度d为400纳米的金属铝膜，入射光垂直于金属膜上表面入射；

步骤（3）、取垂直穿过金属膜的中心为中轴，假设中轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，在金属膜上表面取过原点的某方向为x轴方向，确定x轴正方向，利用纳米加工技术在金属膜上加工9条中心间距450纳米、宽度w为200纳米的狭缝；

步骤（4）、对于预定焦点位置f=1微米的光聚焦，利用聚焦离子束在狭缝或者环形缝内引导沉积满足等光程要求的介质厚度，沉积厚度h在0到400纳米之间，如图1所示；具体步骤如下：

步骤①、通过公式（1）、（2）、（3）和（4）计算，可以得到光波金属膜上狭缝或者环形缝的沉积介质和空气区域中的位相延迟Δφ_die和Δφ_air：

$\tanh (\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_d}w/2)=\frac{-{\mathrm{\ϵ}}_d\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_m}}{{\mathrm{\ϵ}}_m\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_d}}---\left(1\right)$

$\tanh (\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_0}w/2)=\frac{-{\mathrm{\ϵ}}_0\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_0}}{{\mathrm{\ϵ}}_m\sqrt{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(2\right)$

Δφ_die＝β_dieh            （3）

Δφ_air＝β_air(d-h)        （4）

其中，k₀是光在自由空间中的波矢，空气、沉积介质和金属的介电常数为1、2.25和-42+12i，光波在狭缝或者环形槽的沉积介质和空气区域中的传播常数β_die和β_air分别为1.68k₀和1.08k₀；

步骤②、对于金属膜上第一个狭缝或者环形缝分布位置x₁=0纳米，聚焦离子束引导沉积材料厚度h，位相延迟可由公式（5）得出：

$\mathrm{\Δ\φ}\left(x_1\right)={\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{air}}+{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{die}}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\left(\sqrt{f^2+{x_1}^2}\right)---\left(5\right)$

其中，f是预定焦点位置，Δφ_die和Δφ_air表示光波在狭缝或者环形缝的位相延迟。以此类推，对于第i（i＞2）个狭缝或者环形缝的分布位置x_i，光波的位相延迟可由（5）式计算；

步骤③、依据等光程原理，对于预定焦点位置f的光聚焦，光波金属膜上各个狭缝或者环形缝的位相延迟满足2nπ+φ₀。结合公式（3）、（4）和（5），可以得到金属膜上狭缝或环形缝分布位置x₁沉积的介质厚度：

$h_1=(2\mathrm{m\π}+{\mathrm{\φ}}_0-2\mathrm{\π}\sqrt{f^2+x_1^2}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}}d)/({\mathrm{\β}}_{\mathrm{die}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{air}})---\left(6\right)$

其中φ₀由预定焦点位置决定满足0~2π范围的位相延迟。以此类推，对于第i（i＞2）个狭缝或者环形缝沉积的介质厚度h_i，沉积的介质厚度可由（6）式计算。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (11)

1.一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤(1)、选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择可以透光的基底材料；

步骤(2)、在基底表面蒸镀厚度为d的金属膜，入射光垂直于金属膜上表面入射；

步骤(3)、取垂直穿过金属膜的中心为中轴，假设中轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，在金属膜上表面取过原点的某方向为x轴方向，确定x轴正方向，利用纳米加工技术在金属膜上加工宽度w的多组狭缝或者多组同心环形缝；

步骤(4)、对于预定焦点位置f的光聚焦，利用聚焦离子束在狭缝或者环形缝内引导沉积满足等光程要求的不同介质厚度，加工出一种纳米缝隙金属聚焦透镜；

步骤(4)中的不同介质厚度数据可以通过下述步骤得到：

步骤①、通过公式(1)、(2)、(3)和(4)计算，得到光波金属膜上狭缝或者环形缝的沉积介质和空气区域中的位相延迟Δφ_die和Δφ_air：

Δφ_die＝β_dieh                  (3) 

Δφ_air＝β_air(d-h)                    (4) 

其中，k₀是光在自由空间中的波矢，ε₀、ε_d和ε_m分别是空气、沉积介质和金属的介电常数，w为狭缝或者环形缝的宽度，h为聚焦离子束在狭缝或者环形缝内引导沉积的介质厚度，β_die和β_air表示光波在狭缝或者环形缝沉积介质和空气区域的传播常数；

步骤②、对于金属膜上第一个狭缝或者环形缝分布位置x₁，聚焦离子束引导沉积材料厚度h，位相延迟由公式(5)得出：

其中，f是预定焦点位置，Δφ_die和Δφ_air表示光波在狭缝或者环形缝的位相延迟；以此类推，对于第i(i>2)个狭缝或者环形缝的分布位置xi，光波的位相延迟可由(5)式计算；

步骤③、依据等光程原理，对于预定焦点位置f的光聚焦，光波金属膜上各个狭缝或者环形缝的位相延迟满足2nπ+φ₀；结合公式(3)、(4)和(5)，得到金属膜上狭缝或环形缝 分布位置x₁沉积的介质厚度：

其中φ₀由预定焦点位置决定0～2π范围确定的位相延迟；以此类推，对于第i(i>2)个狭缝或者环形缝沉积的介质厚度h_i，沉积的介质厚度可由(6)式计算。

2.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的可透光的基底材料为硅或二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的选取的入射光的偏振模式线偏振或者圆偏振。

4.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的金属膜的厚度d为200纳米到1微米。

5.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铜或铝。

6.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中金属膜上加工结构为等宽度狭缝或者环形缝。

7.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的狭缝或者环形缝的宽度w为50纳米到400纳米。

8.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中φ₀由预定焦点位置决定满足0～2π范围的位相延迟。

9.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中沉积的介质厚度改变量在0～d内。

10.根据权利要求1所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中选择易于聚焦离子束引导沉积的材料。

11.根据权利要求10所述的一种纳米缝隙金属聚焦透镜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中选择易于聚焦离子束引导沉积的材料为二氧化硅或硅。