CN106918854B - 一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高数值孔径的油浸表面等离子体(SPR)超透镜，超透镜一侧为表面形貌为本发明设计的光学非球面，另一侧为光学平面。该耦合透镜在光学平面中心的法线方向上轴对称，在平行于透镜光学平面的横截面为圆形。该耦合透镜由对可见光透明的高折射率材料组成，平行光由光学非球面一侧平行于光轴射入透镜，经光学非球面和匹配油层折射，聚焦于超透镜的焦点。当该耦合超透镜数值孔径大于1.05时，可用于激发表面等离子体。本发明可作为高数值孔径油浸显微物镜的有效替代，具有结构简单、成本低、工作距离可定义等优点。

Description

一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜。

背景技术

表面等离子体(Surface Plasmon Resonance，SPR)是在金属和电介质的界面上传播的一种表面电磁波，在金属/电介质界面处的电场强度最大且在垂直于界面的法向上呈指数衰减。表面等离子体波的波矢量大于真空条件下的光波矢量，因此通常需要借助于其他手段来实现波矢的匹配从而激发SPR，常用的SPR耦合方法有电子耦合、光栅耦合、应用最广的Kretschmann棱镜结构、以及在Kretschmann棱镜结构上发展起来的“类三明治”多层结构耦合。当前高分辨率SPR耦合结构主要是油浸高数值孔径(NA)显微物镜。油浸高NA显微物镜SPR结构的优点在于能够沿法向零角度入射，因此机械架构简单且方便与其他光学显微技术兼容，缺点是该技术对于数值孔径严重依赖且成本极高。本发明提出了一种既具有与油浸显微物镜类似具有高NA、能够采用零角度入射的特性，又不对放大倍数、像差、工作距等有要求的高数值孔径的SPR专用激发超透镜，解决当前高分辨率SPR系统对NA的极度依赖以及成本过高难以走出实验室以及实现产业化等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前的高分辨率SPR系统大多采用油浸显微物镜作为耦合器件，商用的油浸显微物镜数值主要是为显微成像系统设计的，不仅结构复杂、数值孔径(NA)有限，而且放大倍数、像差、工作距离等特性的严格要求使得其成本极高，而高分辨率SPR耦合结构主要是应用油浸显微物镜的高数值孔径(NA)这一特性，对其他的特性则要求不高，造成成本的极大浪费。

(二)技术方案

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高数值孔径的表面等离子体超透镜，包含由两个光学面组成，一个表面形貌为本发明设计的光学非球面，一个为圆形光学平面。

所述超透镜关于其自身圆形平面中心轴线对称，在平行于透镜光学平面的横截面为圆形。所述超透镜由对可见光透明的固态高折射率材料组成，匹配油的折射率与超透镜折射率接近。

所述超透镜，当平行光由光学非球面一侧入射，经过光学非球面和匹配油层的二次折射后聚焦在位于超透镜的法向延长线上的焦点处。

所述高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜有效数值孔径为NA＝n₁·sinα，其中n₁为表面等离子体超透镜折射率，α为平行光入射时表面等离子体超透镜能够提供的最大孔径半角。

所述油浸表面等离子体超透镜的光学非球面边界上的点满足的关系如下，当以超透镜的顶点为原点，顶点切线为x轴，以垂直x轴方向为y轴建立直角坐标系一系列点(x(m)，y(m))满足以下递推关系，m为自然数：

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)] y(2)＝0 y_alt(2)＝0

式中h为超透镜沿y轴方向上的最大厚度，f为油的高度，n₁为超透镜材料折射率，n₂为匹配油折射率，θ为点(x(m)，y(m))和焦点的连线与y轴的夹角。

本发明的上述技术方案有如下优点：

1.采用单透镜实现与油浸显微物镜类似的高数值孔径特性；

2.本发明提出的高数值孔径表面等离子体超透镜无球差；

3.本发明提出的表面等离子体超透镜的焦距和工作距离可自定义，且可以采用油浸和非油浸两种工作模式；

4.本发明能够采用单透镜实现SPR的耦合和检测，为目前高分辨率SPR系统提供一种解决方案，且成本大幅降低，系统简单；

5.基于本发明的表面等离子体超透镜的SPR耦合检测系统具有像差小、检测精度高等优点；

6.当平行光沿透镜光轴零角度入射到透镜的非球面时，本发明的表面等离子体超透镜能够提供从零度到最大孔径半角的宽入射角范围，能够在二维尺度下激发SPR及探测更小局域的样品信息，能够提供二维的SPR吸收光谱提供更高精确的检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

附图说明

图1为高数值孔径的表面等离子体超透镜的折射示意图；

图2为表面等离子体超透镜的三维几何图；

图3为表面等离子体超透镜在待测样品表面的聚焦图；

图4为表面等离子体超透镜的应用系统图；

图3中，入射光为平行光；401为表面等离子体超透镜，402为匹配油，403为表面等离子体传感芯片，404为待测样品；

图4中1为照明系统，2为探测系统，3为分光镜，401为表面等离子体超透镜，402为匹配油，403为表面等离子体传感芯片，404为待测样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

具体实施方式一：本发明提供了一种高数值孔径的表面等离子体超透镜，能够应用于表面等离子体的耦合和检测。结合图1和图3说明具体实施方式，本发明所述的一种高数值孔径表面等离子体超透镜，由两个光学面组成，其中一个形貌为本发明设计的非球面，一个为光学平面，其形状为圆形，超透镜关于其自身圆形平面中心轴线对称。

如图1中所示，以等离子体超透镜的曲面边界顶点为原点，顶点切线为x轴，超透镜中心轴线为y轴建立平面直角坐标系，将等离子体超透镜的半径r_max分为2m-2份，记为r(2m-2)，θ为r(2m-2)对应点与焦点连线与光轴的夹角，得θ(2m-2)，β为r(2m-2)对应点对应的表面等离子体超透镜内的光线与光轴的夹角，得β(2m-2)，为对应的曲面法线与入射光的夹角，得非球面边界上对应的点(x(m)，y(m))满足以下递推关系：

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)] y(2)＝0 y_alt(2)＝0

式中h为超透镜沿y轴方向上的最大厚度，f为油的高度，n₁为超透镜材料折射率，n₂为匹配油折射率。

满足上述边界条件的曲边沿y轴旋转360度之后可以得到如图2所示的表面等离子体超透镜。如图3中所示，在表面等离子体超透镜(401)表面滴加匹配油(402)，在匹配油(402)上放置一层表面等离子体传感芯片(403)，待测样品(404)放置表面等离子体传感芯片(403)上。

具体实施方式二：一种光学耦合超透镜，其结构如权利要求一中所述，将其应用于图4所示的表面等离子体光学检测系统中时，其特性如下：

系统由照明系统(1)，探测系统(2)，分光镜(3)，等离子体超透镜(401)，匹配油(402),表面等离子体传感芯片(403)，待测样品(404)组成。

表面等离子体传感芯片(403)放在表面等离子体超透镜的光学平面上，二者之间是匹配油(402)，待测样品(404)置于表面等离子体传感芯片上。

照明系统(1)发出的光束经分光镜的分光后，入射到表面等离子体光学耦合超透镜时，经过超透镜的非球面和匹配油层的二次折射后，将光束聚焦在表面等离子体光学耦合超透镜的光学平面中心。表面等离子体光学耦合超透镜的数值孔径取决于超透镜的非球面形貌和所使用的匹配油的折射率，当数值孔径所对应的最大孔径半角大于待测样品与传感芯片的SPR激发角时，能够激发出带有待测样品信息的SPR信号，而且聚焦点远小于常规的棱镜式SPR激发系统的聚焦点，从而能够实现更小尺度下的待测样品的高分辨率检测。激发后的光沿原入射路径返回，进入检测系统，在超透镜的后焦面上能够显示SPR吸收谱，通过对SPR吸收谱进行特征分析，即可实现待测样品的精密检测。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜，由两个光学面组成，一个表面形貌为光学非球面，一个为圆形光学平面，所述油浸表面等离子体超透镜的光学非球面边界满足下列递推公式：

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0y(1)＝0y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)]y(2)＝0y_alt(2)＝0

其中x(m)和y(m)表示曲面边界线上点的横纵坐标，m为正整数,作为递推公式的项数，坐标系以超透镜的顶点为原点，顶点切线为x轴建立平面直角坐标系，以垂直x轴方向为y轴，式中h为超透镜沿y轴方向上的最大厚度，f为油的高度，n₁为超透镜材料折射率，n₂为匹配油折射率，y_alt为中间变量，将曲线在x轴正半轴上的长度r等分为2m-2份，记为r(2m-2)，θ(2m-2)是以r(2m-2)为横坐标的曲线点和平行光焦点的连线与y轴的夹角；β(2m-2)为曲线上r(2m-2)对应点对应的表面等离子体超透镜内的光线与光轴的夹角，为对应的曲面法线与入射光的夹角；

平行光由光学非球面一侧垂直于圆形光学平面入射，经过光学非球面和匹配油层的二次折射后聚焦在位于超透镜的法向延长线上的焦点处。

2.根据权利要求1所述的一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜，其特征在于，所述超透镜关于其自身圆形平面中心轴线对称，在平行于透镜光学平面的横截面为圆形。

3.根据权利要求1所述的一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜，其特征在于，所述超透镜由对可见光透明的固态高折射率材料组成。

4.根据权利要求1所述的一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜，有效数值孔径为NA＝n₁·sinα，其中n₁为表面等离子体超透镜折射率，α为平行光入射时表面等离子体超透镜能够提供的最大孔径半角。