CN105467479A - 表面等离子体透镜 - Google Patents

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文静
钟阳万
王康
冯辉
黄元申
张大伟
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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Abstract

本发明提出一种表面等离子体透镜，包括基底和形成在所述基底上的金属膜层；在所述金属膜层上表面形成有主环形槽，在所述主环形槽的槽底且沿主环形槽的周向形成有副环形槽，所述主环形槽和副环形槽的环心连线垂直于所述金属膜层上表面，所述主环形槽的外径大于所述副环形槽的外径，所述副环形槽的底部端面高于所述金属膜层的下表面。本发明解决了现有技术为了提高效率而使表面等离子体透镜的结构复杂，体积大的问题，该表面等离子体透镜结构简单，体积小，利于小型集成。

Description

表面等离子体透镜
技术领域
本发明涉及表面等离子体透镜，特别涉及一种单环、向心激发的表面等离子体透镜。
背景技术
目前的表面等离子体透镜大多数采用在金属膜上刻蚀制作出的环形结构实现的。当径向偏振的入射光照射到该环形结构上时，能激发出表面等离子体，激发出的表面等离子体从环上各点向环中心传播，在该中心同相干涉产生一个表面等离子体焦点。但实际上在环上激发的表面等离子体既会向环中心传播，也会向环外传播，而向环外传播的表面等离子体对环中心形成表面等离子焦点没有贡献，导致该表面等离子体透镜效率不高。为了提高效率，现有做法是可以在环的外侧增加反射表面等离子体的结构，虽然能提高效率，但是同时也增加的表面等离子体透镜的复杂性，并使该器件的体积增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种表面等离子体透镜，解决了现有技术为了提高效率而使表面等离子体透镜的结构复杂，体积大的问题，该表面等离子体透镜结构简单，体积小，利于小型集成。
为解决上述问题，本发明提出一种表面等离子体透镜，包括基底和形成在所述基底上的金属膜层；在所述金属膜层上表面形成有主环形槽，在所述主环形槽的槽底且沿主环形槽的周向形成有副环形槽，所述主环形槽和副环形槽的环心连线垂直于所述金属膜层上表面，所述主环形槽的外径大于所述副环形槽的外径，所述副环形槽的底部端面高于所述金属膜层的下表面。
根据本发明的一个实施例，所述金属膜层为金属银膜。
根据本发明的一个实施例，所述主环形槽的内径等于所述副环形槽的内径。
根据本发明的一个实施例，所述主环形槽和副环形槽的内径为1345nm。
根据本发明的一个实施例，所述主环形槽的槽宽大于所述副环形槽的槽宽，所述主环形槽的槽深大于所述副环形槽的槽深。
根据本发明的一个实施例，所述主环形槽和副环形槽的截面槽型呈矩形。
根据本发明的一个实施例，所述主环形槽的槽宽为310nm，槽深为110nm。
根据本发明的一个实施例，所述副环形槽的槽宽为155nm，槽深为20nm。
根据本发明的一个实施例，所述金属膜层的厚度大于300nm。
根据本发明的一个实施例，表面等离子体透镜的工作波为径向偏振光，工作波的波长在600nm～670nm之间。
根据本发明的一个实施例，所述工作波的波长为633nm。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：本发明的单环向心激发的表面等离子体透镜，在金属膜层上具有主环形槽作为工作的单环，在主环形槽的底部具有同轴(或者从上方看下来是同心)的副环形槽，当径向偏振光入射时，在主环形槽上激发出的表面等离子体在副环形槽的作用下，全部往环内单向传播，不会或很少往环外传播，提高了该表面等离子体透镜的效率，且结构简单，体积小，利于小型化集成。
附图说明
图1是本发明实施例的表面等离子体透镜的俯视示意图；
图2是本发明实施例的表面等离子体透镜的剖面示意图；
图3是本发明实施例与现有技术的表面等离子体透镜聚焦对比图；
图4是本发明实施例的表面等离子体透镜入射光波长与效率关系图。
图中标记说明：1-入射光，2-金属膜层，3-基底，4-主环形槽，5-副环形槽。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参看图1和图2，本实施例的表面等离子体透镜，包括基底3和金属膜层2。基底3的形状较佳的是片状，直接呈透镜的形状，当然基底3的形状也可以是其他形状。基底3例如是石英衬底，或者其他透明基材的衬底。金属膜层2可以是任意用来制作表面等离子体透镜的金属基材。在优选的实施例中，金属膜层2为金属银膜，波传导能力更强，损耗小，且透明性较佳。
参看图2，金属膜层2形成在基底3的上表面，金属膜层2可以全部覆盖住基底3的上表面，也可以仅仅覆盖住不影响透镜工作的区域。金属膜层2具有一定的厚度，从而可以在金属膜层2上形成主环形槽4和副环形槽5。主环形槽4形成在金属膜层2上表面，换言之，从金属膜层2上表面向下开设环形槽以形成主环形槽4。副环形槽5形成在主环形槽4的槽底，且副环形槽5沿主环形槽4的周向开设，换言之，从主环形槽4的槽底向下环着槽的周向开设一个环形槽以形成副环形槽5。
主环形槽4和副环形槽5的环心连线垂直于金属膜层2上表面，主环形槽4和副环形槽5所环绕的轴线为同一轴线，参看图1，从金属膜层2上方向下观察，主环形槽4和副环形槽5同心。继续参看图2，主环形槽4的槽口端面与金属膜层2的上表面共面，主环形槽4的槽底面与副环形槽5的槽口端面共面，副环形槽5的槽底面高于金属膜层2的下表面。主环形槽4的外径大于副环形槽5的外径。当入射光1从金属膜层2上方对准主环形槽4的环内照射时，在主环形槽4的作用下激发出表面等离子体，在副环形槽5的作用下表面等离子体全部向环中心传播，在该中心同相干涉产生一个表面等离子体焦点，不会或者很少向环外传播，提高了透镜激发效率。
参看图2，主环形槽4的内径大致等于副环形槽5的内径，优选的是主环形槽4和副环形槽5内径相等，也就是两者的内环壁可以接合为同一环壁。但是可以理解，在实际制作过程中，主环形槽4和副环形槽5的槽型会有一定程度的偏差，这些偏差在透镜正常工作范围条件下是允许的。优选的，主环形槽4和副环形槽5的内径为1345nm，在此内径时，表面等离子体激发效果强烈，透镜效率更高。
主环形槽4的槽宽大于副环形槽5的槽宽，主环形槽4的槽深大于副环形槽5的槽深。主环形槽4和副环形槽5的截面槽型呈矩形。主环形槽4的槽宽为310nm，槽深为110nm。副环形槽5的槽宽为155nm，槽深为20nm。
金属膜层2的厚度优选大于300nm，从而主环形槽4和副环形槽5均形成在金属膜层2的内部，副环形槽5的槽底端面到金属膜层2下表面(也就是靠近基底的表面)还具有一定的距离，当然金属膜层2也不适宜过厚。
本发明的表面等离子体透镜可以通过下面方法制作，包括以下步骤：
S1：提供基底；
S2：在所述基底的上表面形成一定厚度的金属膜层；
S3：刻蚀所述金属膜层的上表面以形成一主环形槽；
S4：刻蚀所述主环形槽的槽底表面以形成一副环形槽，所述副环形槽沿所述主环形槽的周向形成，所述主环形槽和副环形槽的环心连线垂直于所述金属膜层上表面，所述主环形槽的外径大于所述副环形槽的外径，所述副环形槽的底部端面高于所述金属膜层的下表面。
具体而言，首先提供一块清洗干净的基底3，例如是石英基片，清洗的方式例如可以是用超声清洗机进行清洗；接着，用镀膜机在石英基片上镀上金属银膜，厚度优选大于300nm；接着，在金属银膜上用聚焦离子束刻蚀出一个主环形槽4，槽型为矩形，槽内径优选为1345nm，槽宽w1可以为310nm，槽深h1可以为110nm；最后，在主环形槽4的底部用聚焦离子束再刻蚀出一个同心的、内径相同的副环形槽5，槽型为矩形，槽宽w2可以为155nm，槽深h2可以为20nm。
图3是表面等离子体透镜聚焦对比图，实线表示的是本发明实施例的有副环形槽5的表面等离子体透镜的聚焦强度分布，虚线表示的是无副环形槽5的表面等离子体透镜(即目前现有的表面等离子体透镜)的聚焦强度分布。在其他参数相同的情况下，本发明的表面等离子体透镜激发的表面等离子体基本向环心传播，焦点处的强度是无副环形槽5的表面等离子体透镜的两倍，而表面等离子体透镜结构的复杂性并没有增加，体积也没有增大，制作方式简单，有利于小型化集成。
在一个实施例中，表面等离子体透镜的工作波(也就是入射波1)为径向偏振光，工作波的波长在600nm～670nm之间可选。优选的，工作波的波长为633nm。
图4是本发明的表面等离子体透镜入射光波长与效率关系图，实线ηi表示向环心激发的表面等离子体的效率，虚线ηo表示向环外激发的表面等离子体的效率，入射光波长在633nm附近相对较宽的波长范围内，本发明的表面等离子体透镜都有较高的等离子体激发效率。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种表面等离子体透镜，其特征在于，包括基底和形成在所述基底上的金属膜层；在所述金属膜层上表面形成有主环形槽，在所述主环形槽的槽底且沿主环形槽的周向形成有副环形槽，所述主环形槽和副环形槽的环心连线垂直于所述金属膜层上表面，所述主环形槽的外径大于所述副环形槽的外径，所述副环形槽的底部端面高于所述金属膜层的下表面。
2.如权利要求1所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述金属膜层为金属银膜。
3.如权利要求1所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述主环形槽的内径等于所述副环形槽的内径。
4.如权利要求3所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述主环形槽和副环形槽的内径为1345nm。
5.如权利要求1所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述主环形槽的槽宽大于所述副环形槽的槽宽，所述主环形槽的槽深大于所述副环形槽的槽深。
6.如权利要求5所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述主环形槽和副环形槽的截面槽型呈矩形。
7.如权利要求6所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述主环形槽的槽宽为310nm，槽深为110nm。
8.如权利要求6所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述副环形槽的槽宽为155nm，槽深为20nm。
9.如权利要求1或7或8所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述金属膜层的厚度大于300nm。
10.如权利要求1所述的表面等离子体透镜，其特征在于，表面等离子体透镜的工作波为径向偏振光，工作波的波长在600nm～670nm之间。
11.如权利要求10所述的表面等离子体透镜，其特征在于，所述工作波的波长为633nm。
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