CN107179570B - 一种楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜。该楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜采用在平面金属薄膜上构建垂直均匀宽度的中心狭缝和对于中心狭缝左右对称的楔形倾斜狭缝所形成；所述透镜在横磁线偏光垂直入射条件下，能够实现长焦深的聚焦效果。在结构中，中心狭缝被选择为透镜对称轴，楔形倾斜狭缝对于中心狭缝对称的狭缝成对出现，在入射面端均相对于中心狭缝往外倾斜，越靠外的狭缝倾斜角度越大，狭缝入射端宽于出射端，对称的狭缝内壁倾角、外壁倾角和宽度均相同；该楔形倾斜狭缝金属薄膜透镜，实现了平面金属等离激元透镜的对于横磁线偏光的长焦深的聚焦效果。本发明的透镜结构紧凑，便于制备和实际中生产，在光学微操纵、光学微加工等领域有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于亚波长光子学领域以及集成光学领域，特别涉及一种基于等离激元效应的横磁线偏振光聚焦透镜。
背景技术
表面等离子体激元(SPPs)，电磁波(EW)与金属和电介质之间的界面传播的集体电子振荡耦合，已经在近10年迅速发展起来。因为具有优异的性质，它们为控制光束传播提供了巨大的潜力，并调制了纳米级光场的分布，在这一领域引起了广泛的关注。越来越多的等离子体元件已经被提出来实现各种功能，并且在模拟和实验中都表现出很好的性能。
表面等离激元能够突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，可以实现纳米尺度的光信息传输与处理，但表面等离激元透镜的往往受到其近场效应的限制。并且，为了更好的控制聚焦的相位要求，一般透镜为非平面透镜，等离激元透镜在一些场合也设计为曲面，这样就给位微加工领域提出要求。Hongyan Shao等人于2016年发表于《Plasmonics》杂志的题为“Plasmonic Planar Lens Based on Slanted Nanolist Array”中提出了一种能够实现线偏振光紧聚焦的平面金属透镜结构，克服了曲面透镜的结构困难，但其聚焦效果如焦深的大小还有很大的优化空间。
发明内容
本发明的目的是在现有的技术基础上，提供一种在横磁线偏光垂直入射条件下，能够对线偏振光实现长焦深聚焦的楔形倾斜狭缝长焦深平面金属薄膜等离激元透镜。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜，所述透镜采用在平面金属薄膜上构建垂直均匀宽度的中心狭缝和对于中心狭缝左右对称的楔形倾斜狭缝所形成；所述透镜在横磁线偏光垂直入射条件下，能够实现长焦深的聚焦效果。
进一步的，金属薄膜采用银或金制成，薄膜的厚度与入射波长同量级。
进一步的，中心狭缝和楔形倾斜狭缝中填充介质。
进一步的，左右对称的楔形倾斜狭缝成对设置，数量为2对以上；所述相邻中心狭缝和楔形倾斜狭缝之间以及相邻楔形倾斜狭缝之间在出射面处的间距相同，间距一般小于波长。
进一步的，中心狭缝由一组基准狭缝形成，楔形倾斜狭缝由两组基准狭缝构建形成，所述狭缝基准宽度为w，w为入射波长的1/10～1/5。
进一步的，由两组基准狭缝构建形成的楔形倾斜狭缝在入射面端相对于中心狭缝往外倾斜，楔形倾斜狭缝由内至外狭缝倾斜角度逐渐增大，狭缝入射端宽于出射端。
进一步的，序号m的楔形倾斜狭缝的内壁倾角θmi和外壁倾角和θmo分别由式1确定：
其中，m为楔形倾斜狭缝相对于中心狭缝由内至外的序号；fi是预设的焦距；fo＝fi+Δf，Δf取值为1～3倍的入射波长；Δφm是第m个狭缝的入口和出口的额外相位延迟；Λ为相邻狭缝出口中心间距，H是金属薄膜的厚度；β为宽度为金属狭缝中的等离激元模式的传播常数，由式2求出：
k0是真空中的波矢；εd是狭缝中填充介质的介电常数；εm是金属薄膜的介电常数。
该楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜是在平面金属薄膜上构建垂直均匀宽度的中心狭缝和对于中心狭缝左右对称的楔形倾斜狭缝所形成。
在光波波段，金属可选择为银、金等贵金属，其介电常数为εm，金属薄膜的厚度H为波长量级；狭缝中填充介质，其介电常数为εd；狭缝基准宽度为w，选为波长的1/10～1/5，如w＝0.1μm；以出射面处的相邻狭缝出口中心间距定义为狭缝间距Λ，一般小于波长，如Λ＝0.45μm；对于中心狭缝对称的狭缝成对出现，设置2对以上。
除中心狭缝之外的其他狭缝(从内至外标序为m＝±1，±2，±3)，在入射面端均相对于中心狭缝往外倾斜，越靠外的狭缝倾斜角度越大，狭缝入射端宽于出射端，每对狭缝的内壁倾角θmi和外壁倾角θmo均可以定量计算确定。
本发明的有益效果为：本透镜达到了聚焦横磁线偏光的效果，并且具有较高聚焦效率和较大的焦深，并且为金属薄膜平面结构。在亚波长光子学领域、集成光学领域等相关领域具有一定的应用价值。
附图说明
图1是楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜的结构示意图。
图2是楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜狭缝部分的细节图。
图3是入射波长为λ＝632.8nm的横磁线偏光、预设焦距为f＝1μm均匀狭缝情况的聚焦光场分布图及z轴上的光强分布图。
图4是入射波长为λ＝632.8nm的横磁线偏光、狭缝外壁优化为fo＝2μm参数时的聚焦光场分布图及z轴上的光强分布图。
图5是入射波长为λ＝632.8nm的横磁线偏光、狭缝外壁优化为fo＝3μm参数时的聚焦光场分布图及z轴上的光强分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明专利作进一步说明。
如图1所示，该楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜是在平面金属薄膜上构建垂直均匀宽度的中心狭缝和对于中心狭缝左右对称的楔形倾斜狭缝所形成，对于中心狭缝对称的狭缝成对出现，在这里设置为3对。金属银薄膜厚度选取为H＝0.64μm，基准狭缝宽度为w＝0.1μm，狭缝间距为Λ＝0.45μm，该间距以出射面处的相邻狭缝出口中心间距定义。狭缝内填充介质为空气，其相对介电常数为εd＝1，在入射波长为λ＝632.8nm时，银的相对介电常数为εm＝-17.79+0.197i，可根据式(2)计算出β。进一步利用式(1)计算出焦距f分别为(a)f＝1μm；(b)f＝2μm和(c)f＝3μm的倾角θm由内至外分别为(a)55.26°，63.97°和68.16°；(b)56.63°，66.29°和70.90°和(c)57.15°，67.15°和71.96°。除中心狭缝之外的其他狭缝(从内至外标序为m＝±1，±2，±3)，在入射面端均相对于中心狭缝往外倾斜，越靠外的狭缝倾斜角度越大，狭缝入射端宽于出射端，每对狭缝的内壁倾角θmi选取焦距fi＝1μm时的值，外壁倾角可选取焦距fo＝2μm及fo＝3μm时的。图2是聚焦器件狭缝部分的细节图。图3是入射波长为λ＝632.8nm的横磁线偏光、预设焦距为f＝1μm均匀狭缝情况的聚焦光场分布图和其电场在仿真焦平面的标准化强度分布曲线。图4是入射波长为λ＝632.8nm的横磁线偏光、狭缝外壁优化为fo＝2μm参数时的聚焦光场分布图和其沿z轴的分布曲线。图5是入射波长为λ＝632.8nm的横磁线偏光、狭缝外壁优化为fo＝3μm参数时的聚焦光场分布图和其沿z轴的分布图分布曲线。
从该实施例的结构图和场分布场可以看出，图4和图5楔形倾斜狭缝与图3均匀狭缝相比焦深明显增大，而且优化的倾角越大，焦深越大。所以本器件达到了聚焦横磁线偏光的效果，并且具有较高聚焦效率和较大的焦深。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。
Claims (2)
1.一种楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜，其特征在于：所述透镜采用在平面金属薄膜上构建垂直均匀宽度的中心狭缝和对于中心狭缝左右对称的楔形倾斜狭缝所形成；所述透镜在横磁线偏光垂直入射条件下，能够实现长焦深的聚焦效果；
所述金属薄膜采用银或金制成，薄膜的厚度与入射波长同量级；
所述中心狭缝和楔形倾斜狭缝中填充介质；
所述中心狭缝由一组基准狭缝形成，楔形倾斜狭缝由左右两组基准狭缝构建形成，所述狭缝基准宽度为w，w为入射波长的1/10～1/5；
所述由左右两组基准狭缝构建形成的楔形倾斜狭缝在入射面端相对于中心狭缝往外倾斜，楔形倾斜狭缝由内至外狭缝倾斜角度逐渐增大，狭缝入射端宽于出射端；
序号m的楔形倾斜狭缝的内壁倾角θmi和外壁倾角和θmo分别由式1确定：
其中，m为楔形倾斜狭缝相对于中心狭缝由内至外的序号，m＝±1，±2，±3…；fi是预设的焦距，fo＝fi+Δf，Δf取值为1～3倍的入射波长；Δφm是第m个狭缝的入口和出口的额外相位延迟；Λ为相邻狭缝出口中心间距；H是金属薄膜的厚度；β为宽度为w金属狭缝中的等离激元模式的传播常数，由式2求出：
k0是真空中的波矢；εd是狭缝中填充介质的介电常数；εm是金属薄膜的介电常数。
2.根据权利要求1所述的楔形倾斜狭缝长焦深等离激元透镜，其特征在于：所述左右对称的楔形倾斜狭缝成对设置，数量为2对以上；所述相邻中心狭缝和楔形倾斜狭缝之间以及相邻楔形倾斜狭缝之间在出射面处的间距相同。
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