CN103235417A

CN103235417A - 一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器

Info

Publication number: CN103235417A
Application number: CN2013101417099A
Authority: CN
Inventors: 崔艳霞; 张收; 李国辉; 韩国华; 郝玉英; 张锋; 何赛灵
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: CN103235417B

Abstract

一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器是由衬底和金属光栅构成，所述衬底是一承载金属光栅的玻璃衬底；所述金属光栅是由在衬底上通过真空热镀膜技术或磁控溅射技术交替制作金属薄膜与介质薄膜获得的金属介质交替膜与在金属介质交替膜上通过双光束干涉曝光技术及剥离技术制作的金属表面光栅结构构成。本结构首次利用金属介质交替膜将高斯光变为平面光，同时具有扩展光束宽度的能力；结构紧凑，体积小，器件总厚度为波长量级；基于制备工艺简单且成本较低的金属介质交替膜支撑金属表面光栅并导通光，避免了制作成本较高的带通孔金属膜；可集成制作于半导体激光器、发光二极管、光纤或光纤激光器的端面，用于改善光束的发散角，获得准直光。

Description

一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器

技术领域

本发明涉及光子学领域的一种光准直器，更详而言，是一种利用金属介质交替膜与金属表面光栅的复合结构所激发的表面等离子激元（Surface Plasmon Polaritons）减小入射高斯光束的发散角以获得接近平面光形式传播的出射光束的薄膜型光准直器。

背景技术

光准直器的功能在于将远场发散角较大的光束变为发散角较小的光束，使之接近平面光，在光纤技术、激光技术、光电检测、发光二极管照明、光学成像等领域有着广泛的应用。目前，公知的光准直器件由透镜组或非球面光学元件等传统组件构成。例如，现已公开的美国专利US4995709（optical collimator）、 US7580192（Collimation lens system for led）和中国专利CN102081233A (一种绿光准直、扩束光学系统)、CN101363922A(一种实现光束准直和均匀化的方法及光学器件)，这些装置体积较大，集成性较差。

针对上述问题，学者们提出使用微纳光子器件对光束进行准直，以提高器件的集成性。参见图1所示，图1为现有技术中基于表面等离子激元的光准直原理示意图，该光准直原理由法国学者H. J. Lezec和T. W. Ebbesen于2002年提出，参见美国专利US7057151 (Optical transmission apparatus with directionality and divergence control) 和文献Science, vol. 297, p820-822, 2002。具体地，首先在厚度为亚波长量级的金属薄膜刻蚀一个导通光的通孔（或狭缝），再在该通孔（或狭缝）出射端口周围的金属膜表面刻蚀光栅，该结构改善了从通孔出射的光束的发散角。该器件的工作原理是：金属与介质界面上存在一种由于电子疏密分布引起的电磁振荡模式，称为表面等离子激元；当光照射到金属薄膜的入射面上后通过激发表面等离子激元将入射光耦合进入通孔，光通过通孔传播到达出射面，出射面上所刻的表面光栅将再次激发表面等离子激元；当光栅激发的表面波与从通孔出射的表面波相互作用满足波失匹配条件时，即可以获得向远场辐射的发散角很小的准直光束。

波失匹配公式如下：

k _sp= k ₀ sin θ ± m*2π/p (1)

其中，k _sp是所激发的表面波的波矢，k ₀是真空波矢，p是光栅周期，m是正整数。θ代表出射光方向与法线的夹角，当垂直出射时，θ = 0。

还有一种获得准直光的光准直器，参见图2所示，图2为2004年美国H. K. Kim等人提出的使用厚度不均匀的金属薄膜上刻蚀金属通孔阵列以获得光准直效果的原理示意图（美国专利US 20050161589）。2009年，中国Y. Zhang等人将金属通孔阵列和表面光栅结合起来，也获得了定向传播的出射光束(文献J. Appl. Phys., vol. 105, p113124, 2009)。

上述所有实现光准直效果的薄膜型表面等离子激元器件均需要在金属薄膜上刻蚀至少一个通孔（图1），有的器件则需要更多（图2）。由于金属通孔的尺度（直径）远小于波长，而金属薄膜的厚度通常都在100 nm以上，在实际中制作这类结构相对困难，需要用到十分昂贵且加工效率低的大型设备（如聚焦离子束系统）。

另外，金属通孔的尺度决定了其具有很低的光透过效率，需要在金属薄膜的入射面上同时刻蚀有表面光栅，才能将足够多的入射光耦合进入通孔，从而获得效率可观的透射光，然而这势必提高了器件加工的成本。2010年，美国P. Chen等人还通过修饰金属薄膜的出射面提高了出射效率，即除了在出射端面上刻蚀表面光栅外，又在孔径出射口附近引入一个谐振腔，最终提高了准直光的出射强度(文献IEEE Photonics Journal, vol. 2, p8-17, 2010)。但是，这一器件结构更为复杂，需要使用套刻等制作工艺方可获得。

此外，从金属通孔发出的表面波与从出射光栅发出的表面波具有不同的分布和强度，为了使二者形成相长干涉以满足波失匹配条件，需要精心调节出射面上距离通孔最近的光栅凹槽中心与通孔中心之间的间距（104），这又带来了设计成本的提高。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是：改进现有的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，避免使用制作成本较高的带有通孔的金属薄膜，用一种实验中容易制作的结构替代，同样实现在特定波长下的光准直效果，并提供一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器。

解决上述问题，实现上述目的，通过以下技术方案得以实现：

一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，含有衬底和金属光栅；其所述衬底是一承载金属光栅的玻璃衬底；所述金属光栅是由金属介质交替膜与金属表面光栅构成；其中，所述金属介质交替膜是由在玻璃衬底上通过真空热镀膜技术或磁控溅射技术交替制作金属薄膜与介质薄膜获得；所述金属表面光栅是在金属介质交替膜上通过双光束干涉曝光技术及剥离技术制作得。

基于上述技术方案，进一步的技术方案如下：

所述一承载金属光栅的玻璃衬底的厚度是0.5μm。

所述金属薄膜是激发表面等离子激元的金、银、铜和铝中的一种。

所述介质薄膜是二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化钼、氧化钛、氧化铝和氟化锂中的一种。

所述金属介质交替膜中金属薄膜与介质薄膜的厚度比是1:1.5 ~ 1:0.5。

所述金属介质交替膜中金属薄膜和介质薄膜的单层膜厚是5 ~ 15 nm。

所述金属介质交替膜中金属薄膜与介质薄膜的总层数是5 ~ 11层，其中顶层与底层均是金属薄膜层。

其所述玻璃衬底的入射光是具有高斯分布的TM偏振光，其工作波段是400 ~ 1000 nm范围内的某个单一波长光，其束腰半径是1 ~ 3μm。

所述金属表面光栅是浅光栅，其深度是30 ~ 40 nm，其周期为波长的0.8 至 0.9倍，其占空比是0.15 ~ 0.25，其覆盖区域是入射高斯光束腰半径的6倍及以上。

实现本发明上述所提供的一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：

本发明首次利用金属介质交替膜将高斯光变为平面光，同时具有扩展光束宽度的能力；结构紧凑，体积小，器件总厚度为波长量级；基于制备工艺简单且成本较低的金属介质交替膜支撑金属表面光栅并导通光，避免了制作成本较高的带通孔金属膜；可集成制作于半导体激光器、发光二极管、光纤或光纤激光器的端面，用于改善光束的发散角，获得准直光，对促进薄膜型光准直系统的研究与应用具有重要意义。

附图说明

图1是已有的一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器结构示意图。

图2是已有的另一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器结构示意图。

图3是本发明的一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器的侧视结构示意图。

图4是本发明的一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器的立体结构示意图。

图5是本发明的一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器对波长为595 nm，束腰半径为1.5μm的高斯光束进行准直前后的远场归一化场强分布对比图。

图6是本发明波长为595 nm，束腰半径为1.5μm的高斯光在有准直器的情况下传播到不同近场位置处的归一化磁场强度分布图。

图中：101：金属表面光栅；102：带通孔的金属薄膜；103：通孔；104：距离通孔最近的光栅凹槽中心与通孔中心之间的间距；201：带通孔阵列的金属薄膜；301：金属介质交替膜；302：玻璃衬底；303：金属表面光栅；304：金属薄膜；305：介质薄膜；501：高斯光束经过本发明所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器准直后所获得出射光束的远场归一化场强分布图；502：未经过准直的高斯光束的远场归一化场强分布图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施作出进一步的说明。

实施本发明所提供的一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，是在现有技术的基础上，对基于表面等离子激元的光准直结构进行改进，其结构图参见图1。具体实施方式的技术方案如下：

在金属介质交替膜301上续接金属表面光栅303，通过调整金属介质交替膜301及金属表面光栅303的结构参数，优化出射光束的强度及远场辐射性能，获得强度优化且接近平面波传输的远场辐射光，实现对高斯光束的准直。具体制作过程是：在一厚度极薄的、或者是0.5μm的薄璃衬底302上通过真空热镀膜技术或者是磁控溅射技术交替制作金属薄膜304和介质薄膜305，得到金属介质交替膜301，然后在金属介质交替膜301上通过双光束干涉曝光技术及剥离技术制作金属表面光栅303，即获得一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器。

所使用的金属介质交替膜301是人工特异材料的一种，其光学特性呈各向异性，各向异性介电常数由所构成的金属与介质的介电常数及配比决定。本发明提出使用金属介质交替膜301续接金属表面光栅303的复合结构对高斯光束进行准直，从功能上区别于现有技术。

本发明中所使用金属介质交替膜301，在器件中所起到的具体功能包括：其一，作为所续接金属表面光栅303的基底，呈现出金属特性，保证了表面等离子激元的成功激发；其二，作为光传输媒介，呈现出介质特性，允许大量光透过。如果采用厚度与金属介质交替膜301总厚度相同的介质薄膜305，则金属表面光栅303上下表面所激发的表面等离子激元互相耦合，使得入射光被局域在光栅周围，无法向外辐射。如果使用厚度与金属介质交替膜301总厚度相同的金属薄膜304，则入射光基本无法透过。

所使用的金属材料为可以激发表面等离子激元的金、银、铜、铝中的一种。所使用的介质材料为二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化钼、氧化钛、氧化铝、氟化锂中的一种。

在金属介质交替膜301上所续接的金属表面光栅303，其材质与金属介质交替膜301中的金属材质相同，其排布方式是平行排布的一维沟槽阵列。所起到的作用仍然是通过金属表面光栅303所激发的表面波相互作用以满足波失匹配条件进而获得发散角很小的准直光束。该金属表面光栅303呈均匀分布，无以往器件中的通孔103，在优化过程中避免了对出射面上距离通孔最近的光栅凹槽中心与通孔中心之间的间距104的调节。

所述入射光为具有高斯分布的TM偏振光，是工作在波段400 ~ 1000 nm范围内的某个单一波长（λ ₀）的光，高斯光束的束腰半径大小为1 ~ 3μm。高斯光从玻璃衬底射入器件，平面光从金属表面光栅一侧射出。

所述金属介质交替膜301的单层膜厚为5 ~ 15 nm，金属薄膜304和介质薄膜305的厚度比为1:1.5 ~ 1:0.5，金属介质交替膜301的总厚度为70 ~ 130 nm。其所述金属介质交膜301中金属薄膜304与介质薄膜305的层数一共为5 ~ 11层，其中顶层和底层均为金属薄膜304。

所述金属表面光栅303为浅光栅，光栅的深度为30 ~ 40 nm。光栅周期为0.8 ~ 0.9 λ ₀，光栅的占空比（一个周期内金属所占区域的宽度与光栅周期的比值）为0.15 ~ 0.25。其所述金属表面光栅的覆盖区域（即光栅个数乘以光栅周期的大小）是入射高斯光束腰半径的6倍及以上。

下面进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明基于表面等离子体技术，用金属介质交替膜301与金属表面光栅303的复合结构对高斯光束进行准直，获得接近平面光的出射光束。

如图3和图4，描述本发明基于表面等离子激元的薄膜型光准直器的结构图。

玻璃衬底302上是金属薄膜304和介质薄膜305交替的多层薄膜结构。多层薄膜结构中，金属薄膜304和介质薄膜305厚度具有一个合适的比例，且相同材料的薄膜厚度相等，顶层和底层均为金属薄膜304。金属介质交替膜301之上是金属表面光栅303。单色TM偏振的高斯光束从玻璃衬底302垂直照射到该薄膜型光准直器上。

实施例1

取高斯光源的波长为595 nm，金属取为银，介质取为氧化钼。经过分析得到：

1) 银金属薄膜304和氧化钼介质薄膜305比例为1:1.5 ~ 1:0.5时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，银金属薄膜304和氧化钼介质薄膜305的比例为1:1.2时效果最佳，即透过率相对较高且旁瓣相对较弱。

2) 银金属薄膜304和氧化钼介质薄膜305的厚度为5 ~ 15 nm时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，银金属薄膜304和氧化钼介质薄膜305厚度分别为11 nm和13.2 nm时效果最佳。

3) 金属介质交替膜301中银金属薄膜304与氧化钼介质薄膜305的总层数共为5 ~ 11层时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，金属介质交替膜301中银金属薄膜304与氧化钼介质薄膜305的总层数为7层时效果最佳。

4) 金属表面光栅303的深度为30 ~ 40 nm时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，金属表面光栅303的深度为30 nm时效果最佳。

5) 金属表面光栅303的周期为0.8 ~ 0.9 λ ₀，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，金属表面光栅303周期为0.86 λ ₀时效果最佳。

6) 金属表面光栅303的占空比为0.15 ~ 0.25时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，金属表面光栅303的占空比为0.2时效果最佳。

7) 金属表面光栅303的覆盖区域（即光栅个数乘以光栅周期的大小）是入射高斯光束腰半径的6倍及以上时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，金属表面光栅303的覆盖区域是高斯光束腰半径的12倍时，旁瓣明显被抑制，准直效果比覆盖区域相对较小时有明显改善，继续增大覆盖区域，准直效果不变。

8) 高斯光源的束腰半径为1 ~ 3μm时，高斯光通过该薄膜光整形器可以获得准直光；更进一步，对束腰半径为1.5μm的高斯光整形效果最佳。

图5是取最优准直器结构参数所获得的出射光与未经准直的高斯光（波长为595 nm，束腰半径为1.5μm）的远场归一化场强分布的对比图。所取结构参数为：银金属薄膜304厚度为11 nm，氧化钼介质薄膜305的厚度为13.2 nm，总层数为7层；金属表面光栅303周期为512 nm，深度为30 nm，占空比为0.2，个数为40。可以看到，经过本发明的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器后的出射光束比未经准直的高斯光束的远场发散角明显变小。

图6是波长为595 nm，束腰半径为1.5μm的高斯光在有准直器（结构参数与图5相同）的情况下传播到不同近场位置处的归一化磁场强度分布图。可以看到，入射高斯光束经过本发明的薄膜型光准直器后，变为接近平面波传输的出射光束，且宽度明显变宽。

Claims

1.一种基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，含有衬底和金属光栅；其所述衬底是一承载金属光栅的玻璃衬底(302)；所述金属光栅是由金属介质交替膜(301) 与金属表面光栅(303)构成；其中，所述金属介质交替膜(301)是由在玻璃衬底(302)上通过真空热镀膜技术或磁控溅射技术交替制作金属薄膜(304)与介质薄膜(305)获得；所述金属表面光栅(303)是在金属介质交替膜(301)上通过双光束干涉曝光技术及剥离技术制作得。

2.如权利要求1所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述一承载金属光栅的玻璃衬底(302)的厚度是0.5μm。

3.如权利要求1所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述金属薄膜 (304)是激发表面等离子激元的金、银、铜和铝中的一种。

4.如权利要求1所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述介质薄膜(305)是二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化钼、氧化钛、氧化铝和氟化锂中的一种。

5.如权利要求1所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述金属介质交替膜(301)中金属薄膜(304)与介质薄膜(305)的厚度比是1:1.5 ~ 1:0.5。

6.如权利要求1或4所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述金属介质交替膜(301)中金属薄膜(304)和介质薄膜(305)的单层膜厚是5 ~ 15 nm。

7.如权利要求1或4所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述金属介质交替膜(301)中金属薄膜(304)与介质薄膜(305)的总层数是5 ~ 11层，其中顶层与底层均是金属薄膜层。

8.如权利要求1或4所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述玻璃衬底(302)的入射光是具有高斯分布的TM偏振光，其工作波段是400 ~ 1000 nm范围内的某个单一波长光，其束腰半径是1 ~ 3μm。

9.如权利要求1所述的基于表面等离子激元的薄膜型光准直器，其所述金属表面光栅 (303)是浅光栅，其深度是30 ~ 40 nm，其周期为波长的0.8 至 0.9倍，其占空比是0.15 ~ 0.25，其覆盖区域是入射高斯光束腰半径的6倍及以上。