CN106338795A - 一种Bessel纳米聚焦器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Bessel纳米聚焦器件，该器件从下到上沿光波入射方向依次为：透明基底，激发层，金属/介质多层膜层。本发明利用双曲色散超材料的SP超衍射传输特性，调节空间频谱分布，耦合出高频、窄带、圆对称分布的SP波，并通过所述SP波干涉在多层膜最外层形成焦斑大小为深亚波长尺寸以及长焦深的Bessel焦距焦斑。本发明在光学直写光刻、光存储、光镊等技术及生物医学显微成像领域具有极大的应用潜力。

Description

一种Bessel纳米聚焦器件

技术领域

本发明属于纳米成像及光刻加工技术领域，尤其涉及一种Bessel纳米聚焦器件。

背景技术

倏逝贝塞尔(Bessel)光束，在近场范围内传输能够保持不变的横向轮廓，具有无衍射特性。近场区域内无衍射特性在近场探测，显微和高分辨力数据存储等方面具有很高的应用价值。目前，产生倏逝Bessel光束的方法有棱镜全反射方法和SP共振方法。然而全反射限制于棱镜折射率以及SP共振方法限制于消球差透镜的数值孔径，倏逝Bessel光束光斑半高全宽(FWHM)仍然大于200nm。同时，一些激发聚焦光斑结构，如Bowtie结构、哑铃结构、金属圆孔和牛眼结构，所产生的光斑不对称、焦深浅，导致成像扫描约束在光斑FWHM比较小的单一方向，从而限制了加工图形的多样性及其在各个领域的应用。因此激发具有深亚波长尺寸焦斑和长焦深的Bessel聚焦光束具有重要的研究意义和实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能产生具有深亚波长尺寸焦斑和长焦深的Bessel聚焦光束的Bessel纳米聚焦器件。

本发明解决技术问题采用以下技术方案：

一种Bessel纳米聚焦器件，该器件自下而上沿光波入射方向依次包括：

(1)透明基底；

(2)激发层：设置于基底上的纳米结构层，该结构作为高频表面等离子体(SP)波激发器，激发出具有高频横向波矢、圆对称分布的SP波；

(3)金属/介质多层膜层：设置于激发层上，作为空间频谱滤波器，实现特定空间波矢的选择，耦合出波矢具有高频、窄带、圆对称分布的SP光场；

该器件工作方式为：照明光束从基底一侧正入射，经过激发层激发出高频SP波，其中只有横向波矢较高的SP波才能通过具有高通滤波作用的金属/介质多层膜层，进而耦合出高频、窄带、圆对称分布的SP波，进一步通过所述SP波干涉后，在多层膜最外层形成横向焦斑大小为深亚波长尺寸、长焦深的Bessel聚焦焦斑；其中，所述高频是指横向波矢k_r>2k₀；所述窄带是指波矢空间的频谱宽度Δk_r<0.3k₀；所述深亚波长尺寸是指尺寸小于1/4λ，所述长距离焦深是指焦深大于1/6λ，其中，k₀为空间波矢，λ为照明光波长。

其中，所述激发层中的纳米结构为圆对称结构，包括同心圆环，所述纳米结构中每个单元结构的特征尺寸和周期均小于照明光波长，周期近似等于n×2×π/kr，其中n为正整数。

其中，所述激发层为可以高效激发SP波的金属或介质，包括：Au、Ag、Al、Cr、Si、SiO₂、TiO₂。

其中，所述金属/介质多层膜层可以等价为一块均匀的电磁材料，具有高度各向异性和双曲色散型空间频率响应，具有特定范围横向波矢的光场高效透射，其他频谱光场透射被抑制。

其中，所述的金属/介质多层膜层可以是周期或非周期的膜层结构，是可实现高SP波激发效率、高抑制比、窄带的双曲色散超材料。

其中，所述照明光为可使激发层激发出圆对称分布的SP波的光束，包括径向偏振光或圆偏振光。

其中，针对不同照明光波长，需要选择不同金属/介质多层膜，形成相应的滤波窗口，产生Bessel聚焦光束。

其中，所述的金属/介质多层膜下面可以设置一些其它材料的纳米厚度膜层，用于物理和化学保护。

其中，在所述器件焦斑处，设置可二维扫描式移动的承片台，在所述承片台基片上放置光刻胶、光记录材料、纳米粒子，可以分别用于实现纳米点到点光刻、光存储、光镊操控等应用。

其中，所述的金属/介质多层膜层中的金属为良导体材料，包括：Au、Ag、Al，介质为低损耗的光学膜层材料，包括：SiO₂、Al₂O₃、MgF₂。

本发明优点在于：本发明所产生的Bessel焦距焦斑对称，并且具有焦斑大小为深亚波长尺寸以及长焦深的特点，因此本发明的分辨力高，在光学直写光刻、光存储、光镊等技术及生物医学显微成像领域具有极大的应用潜力。

附图说明

图1是Bessel光束波矢位于圆锥表面；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例基于多层膜结构的双曲色散超材料等频率轮廓曲线；

图4是二维OTF分布，光沿z轴传播；

图5是径向偏振光照明下近场Bessel光束在多层膜结构出射面之后的空气中电场强度分布图；

图6是径向偏振光入射Bessel纳米聚焦器件与开孔金属透镜产生的聚焦光束焦斑FWHM和横向波矢k_r关系的比较图。

图中附图标记含义为：1为基底，2为激发层，3为金属膜层，4为介质膜层，5为激发层上的纳米结构，6为照明光束。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本公开。但以下的实施例仅限于解释本公开，本公开的保护范围应由权利要求及其等同物限定。此外，在以下说明中，可以省略对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

实施例1

首先本实施例分析Bessel光束产生的原理和条件：Bessel光束是自由空间波动函数沿z轴传播的一组解，标量解表示为：

$\begin{array}{c}E(x,y,z,t)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\exp \&lsqb;i(k_{z}z-\mathrm{\&omega;}t)\&rsqb;{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}\exp \&lsqb;{\mathrm{ik}}_r(xcos\mathrm{\&phi;}+ysin\mathrm{\&phi;})\&rsqb;d\mathrm{\&phi;}\\ =\exp \&lsqb;i(k_{z}z-\mathrm{\&omega;}t)\&rsqb;J_0\left(k_{r}r\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中，x²+y²＝r²，J₀是第一类零阶Bessel函数，k_r是波矢横向分量，k_z是波矢纵向分量，ω是光波角频率，E是电场，t是时间，φ是方位角，r是半径，i是虚数。从式(1)可以发现，Bessel光束是由许多等振幅的平面波相干叠加而成，这些平面波的波矢具有不同方位角，并且与传播光轴z方向有相同的夹角。如图1所示，波矢分布在一个圆锥面上的平面波簇干涉形成Bessel光束。Bessel光束横向强度分布与[J₀(k_rr)]²成正比，因此分辨力仅仅是横向波矢k_r的函数，与纵向传播距离无关。当k_r>(ω/c)时，表示倏逝Bessel光束，此时光束垂直于传播方向的截面内光斑分辨力为亚波长尺寸，同时光斑的峰值强度随着传播距离指数衰减。因此实现深亚波长分辨力的倏逝Bessel光束激发，不仅要求SP波为圆对称分布，同时横向波矢k_r要足够高。

下面结合具体结构和方法进一步阐明本发明。

如图2所示本实施例的Bessel纳米聚焦器件，自下而上依次主包括：石英基底1；40nm厚的Cr光栅2，光栅图形为圆对称的同心圆环5，充当高频SP波激发器，衍射不同波矢的倏逝波，其中，同心圆环最内环直径w＝100nm，缝宽d＝61nm，以及六个同心圆环周期p＝122nm；金属/介质多层膜层由三层15nm厚Al膜3和两层15nm厚Al₂O₃膜4交替排布组成。

该Bessel纳米聚焦器件产生Bessel聚焦光束的方法如下：

采用波长365nm的径向偏振光垂直照射到石英基底上的Cr光栅，依据光栅方程，在正入射情况下，光栅激发倏逝波仅仅依赖衍射级次m和光栅周期p，横向波矢表示为 $k_r=m\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p}.$ 同时对于同心圆环光栅结构，衍射的倏逝波分布在空间所有方位，并且所有SP波是圆对称分布的。因此Cr同心圆环光栅能够激发径向波矢k_r＝3mk₀的SP波。

基于Al/Al₂O₃多层膜结构的双曲色散超材料能够等价为一块均匀电磁材料，具有高度各向异性和双曲色散型空间频率响应。如图3所示是通过特征矩阵法计算Al/Al₂O₃多层膜超材料的等频率轮廓线，表示了横向波矢k_x和纵向波矢k_z的关系。黑线是k_z实部随k_x的变化情况，当不考虑双曲色散超材料内光吸收时，曲线呈现了沿k_x轴方向无限延伸的双曲型轮廓，因此具有无限大波矢的倏逝波能够传输。然而，由于k_z的虚部快速增加，导致大部分空间频谱并不能被耦合出超材料，因此只有特定k_x范围的空间频谱能够透过超材料，而其它频谱SP波由于高的损耗被屏蔽。从图3的多层膜结构色散曲线可以看到，在横向波矢3k₀位置处，k_z虚部最小，因此空间滤波窗口中心波矢在3k₀处，波矢空间的频谱宽度Δk_r＝0.2k₀(k₀为空间波矢)。

利用严格耦合波方法(RCWA)计算上述多层膜结构的二维光学传递函数(OTF)，图4展示了多层膜超材料在波矢3k₀周围产生SP波透过窗口，实现了3k₀波矢的SP波能够被耦合出超材料，而在窗口之外的其它SP波被阻挡。对于设计结构中的环形光栅，SP波中±1级次(k_r＝±3k₀)的衍射光落在滤波窗口范围内，其它级次的衍射不能透过多层膜结构。因此，利用图1中结构，经过双曲超材料对聚焦透镜像空间频谱调制，在超材料出射面耦合出方位角从0到2π范围、横向波矢3k₀的SP波。在传播过程中，SP波干涉，最终产生横向波矢3k₀的近场Bessel聚焦光束。图5表明在双曲色散超材料之后空气中产生了聚焦的Bessel光束，并且沿着z轴方向光束的聚焦光斑强度峰值呈指数衰减，纵向传播距离为80nm，可知焦深为80nm。如图6所示，焦斑的半高全宽(FWHM)保持在62nm，且在80nm的衍射距离内基本保持不变，即焦深为80nm。图6中三角标记的曲线为40nm厚Cr金属层上开孔直径60nm的金属透镜，在距离金属透镜80nm处，光斑FWHM已经展宽到200nm，因此，采用径向极化照明的近场Bessel纳米聚焦器件，在80nm的衍射距离处，分辨力相对于开孔金属透镜提高了3.2倍。

尽管上面对本公开说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本公开，但应该清楚，本公开不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本公开的精神和范围内，可以做出各种变化，这些变化在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：该器件自下而上沿光波入射方向依次包括：

(1)透明基底；

(2)激发层：设置于基底上的纳米结构层，该结构作为高频表面等离子体(SP)波激发器，激发出具有高频横向波矢、圆对称分布的SP波；

(3)金属/介质多层膜层：设置于激发层上，作为空间频谱滤波器，实现特定空间波矢的选择，耦合出波矢具有高频、窄带、圆对称分布的SP光场；

该器件工作方式为：照明光束从基底一侧正入射，经过激发层激发出高频SP波，其中只有横向波矢较高的SP波才能通过具有高通滤波作用的金属/介质多层膜层，进而耦合出高频、窄带、圆对称分布的SP波，进一步通过所述SP波干涉后，在多层膜最外层形成横向焦斑大小为深亚波长尺寸以及长焦深的Bessel聚焦焦斑，其中，所述高频是指横向波矢k_r>2k₀；所述窄带是指波矢空间的频谱宽度Δk_r<0.3k₀；所述深亚波长尺寸是指尺寸小于1/4λ，所述长焦深是指焦深大于1/6λ，其中，k₀为空间波矢，λ为照明光波长。

2.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述激发层中的纳米结构为圆对称结构，包括同心圆环，所述纳米结构中每个单元结构的特征尺寸和周期均小于照明光波长，周期近似等于n×2×π/k_r，其中n为正整数。

3.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述激发层为可以高效激发SP波的金属或介质，包括：Au、Ag、Al、Cr、Si、SiO₂、TiO₂。

4.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述金属/介质多层膜层可以等价为一块均匀的电磁材料，具有高度各向异性和双曲色散型空间频率响应，具有特定范围横向波矢的光场高效透射，其他频谱光场透射被抑制。

5.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述的金属/介质多层膜层可以是周期或非周期的膜层结构，是可实现高SP波激发效率、高抑制比、窄带的双曲色散超材料。

6.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述照明光为可使激发层激发出圆对称分布的SP波的光束，包括径向偏振光或圆偏振光。

7.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：针对不同照明光波长，需要选择不同金属/介质多层膜层，形成相应的滤波窗口，产生Bessel聚焦光束。

8.根据权利要求1所述的一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述的金属/介质多层膜下面可以设置一些其它材料的纳米厚度膜层，用于物理和化学保护。

9.根据权利要求1所述一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：在所述器件焦斑处，设置可二维扫描式移动的承片台，在所述承片台基片上放置光刻胶、光记录材料、纳米粒子，可以分别用于实现纳米点到点光刻、光存储、光镊操控应用。

10.根据权利要求4所述一种Bessel纳米聚焦器件，其特征在于：所述的金属/介质多层膜层中所述金属为良导体材料，包括：Au、Ag、Al，所述介质为低损耗的光学膜层材料，包括：SiO₂、Al₂O₃、MgF₂。