CN108363127A - 一种表面等离激元双焦点透镜 - Google Patents

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Abstract

一种表面等离激元双焦点透镜，涉及表面等离激元。设有金属膜，在金属膜的表面上刻蚀有矩形凹槽阵列，在矩形凹槽阵列一侧设有2个亚波长尺寸的焦点，用于实现双焦点聚焦。所述金属膜可采用金、银、铝等中的一种，所述金属膜所浸没的环境介质材料可选自空气、玻璃、水等中的至少一种。利用波动光学的理论，提供一种能实现两个焦点的表面等离激元透镜。该透镜结构紧凑，使用灵活，且能调控两个焦点的强度比值，有望在微纳光学领域中的高分辨成像、光互连、分束等方面获得应用。整体结构小，可以做到几十个微米尺度，适合集成。焦点横向半宽小，可以实现亚波长焦点的双聚焦。

Description

一种表面等离激元双焦点透镜
技术领域
本发明涉及表面等离激元，尤其是涉及一种表面等离激元双焦点透镜。
背景技术
表面等离激元(Surface Plasmon Polariton)是一种局域在金属/介质表面的电磁场表面模式，其特点是电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减；并且以大于介质中同频率光子的波数沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现能量转换。这使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控。基于表面等离激元的各种功能器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注([1]W.L.Barnes,A.Dereux,and T.W.Ebbesen,“Surfaceplasmonsubwavelength optics,”Nature 424,824-830(2003))。
在众多表面等离激元的平面光子学器件中，表面等离激元透镜件的研究一直是表面等离激元器件研究的热点，这是因为实现聚焦直接关系到显微成像、探测、光存储、光镊等应用功能。目前大多数的表面等离激元透镜只具有单个焦点。
发明内容
本发明的目的在于利用波动光学的理论，提供能实现两个焦点，结构紧凑，使用灵活，且能调控两个焦点的强度比值，在微纳光学领域中的高分辨成像、光互连、分束等方面获得应用的一种表面等离激元双焦点透镜。
本发明设有金属膜，在金属膜的表面上刻蚀有矩形凹槽阵列，在矩形凹槽阵列一侧设有2个亚波长尺寸的焦点，用于实现双焦点聚焦。
所述金属膜可采用金、银、铝等中的一种，所述金属膜所浸没的环境介质材料可选自空气、玻璃、水等中的至少一种。金属膜和所浸没的环境材料原则上不限制，只需满足在选定的波段，两者界面能支持表面等离激元的传播即可。所述金属膜的厚度原则上不做限制，可以是无穷厚的金属表面或厚度为几十～几百纳米的金属薄膜，只需满足在选定的波段，在金属膜和所浸没的环境材料界面能支持表面等离激元的传播即可，视具体情况而定。
所述矩形凹槽阵列被刻蚀在金属膜表面，即在金属表面挖去长方体空腔，所述长方体空腔的长度与表面等离激元波长在相同数量级，长方体空腔的长度为几百纳米～几个微米之间，宽度为表面等离激元半波长，约为几百纳米，深度为几十纳米。
所述矩形凹槽阵列的中心位置和长度可由方程组(1)和(2)确定：
其中，rF1和rF2分别是2个亚波长尺寸的焦点3的位置坐标，r0是直角坐标系原点的位置；m和m’可以取任意的整数，对于方程组(1)，当m给定，r的轨迹是一条双曲线，因此方程描述的是双曲线簇；对于方程组(2)，当m’给定，r的轨迹是一条圆曲线，因此方程描述的是圆曲线簇，因此方程组(1)的解是一系列圆和双曲线的交点，这些点的位置满足如下性质：到两个焦点的距离都是整数倍的λ，且到两个焦点的距离之差也是整数倍的λ，每个凹槽的长度L＝|r--r+|和该凹槽的相位中心位置r、r-和r+有关，其中，r-和r+分别是凹槽左侧边中心和右侧边中心的坐标；当r由方程组(1)确定后，r-和r+由方程组(2)确定，其中，rF是离r较远的那个焦点的坐标，即当|rF1-r|＞|rF2-r|时，rF＝rF1；反之rF＝rF2；当凹槽长度满足方程组(2)后，在单个凹槽上各部分位置激发的表面等离激元到任意一个焦点的相位差都小于π,实现相长干涉；又因为各个凹槽相位中心位置r满足方程组(1)，所以在任意一焦点处来自各个凹槽的表面等离激元之间正好相差2π的相位，实现完全相长干涉，从而实现双焦点聚焦。
所述2个亚波长尺寸的焦点的距离可为15μm。
本发明利用波动光学的理论，提供一种能实现两个焦点的表面等离激元透镜。该透镜结构紧凑，使用灵活，且能调控两个焦点的强度比值，有望在微纳光学领域中的高分辨成像、光互连、分束等方面获得应用。
本发明具有以下优点：
1)整体结构小，可以做到几十个微米尺度，适合集成。
2)焦点横向半宽小，可以实现亚波长焦点的双聚焦。
3)满足方程组(1)的凹槽相位中心位置r有无穷多个，可以通过选择适当的凹槽来调控两焦点之间的强度比，以提高应用的灵活性。
4)由于表面等离激元在凹槽上的激发效率和入射光的偏振方向有关，当凹槽位置、长度给定后，还可以通过调整入射光的线偏振方向来调控两焦点之间的强度比，以提高应用的灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的设计原理图。
图3为本发明实施例1的表面等离激元双焦点透镜样品扫描电镜照片。
图4为本发明实施例1的实验和数值模拟结果图。
图5为本发明实施例1中由实验得到的两焦点强度、两焦点强度比值分别和偏振方向β的关系。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明实施例设有金属膜4，在金属膜4的表面上刻蚀有矩形凹槽阵列2，在矩形凹槽阵列22一侧设有2个亚波长尺寸的焦点3，用于实现双焦点聚焦。
所述金属膜4可采用金、银、铝等中的一种，所述金属膜4所浸没的环境介质材料不限制，可选自空气、玻璃、水等，只需满足在选定的波段能支持表面等离激元的传播即可。所述金属膜4有厚度不做限制，可以是无穷厚的金属表面也可以是几十～几百纳米厚度的金属薄膜，视具体情况而定。
在垂直于金属膜4表面入射的线偏振光1照明下，表面等离激元将在各个矩形凹槽阵列2处被同相位激发，并在设计的位置形成两个亚波长尺寸的焦点3，实现双焦点聚焦(见图1)。这些矩形凹槽阵列2具有相同的宽度W＝λ/2，这里λ是表面等离激元的波长。这些矩形凹槽阵列2的相位中心位置r满足方程组(1)。
所述矩形凹槽2的中心位置和长度可由方程组(1)和(2)确定：
其中，rF1和rF2分别是2个亚波长尺寸的焦点3的位置坐标，r0是直角坐标系原点的位置；m和m’可以取任意的整数，对于方程组(1)，当m给定，r的轨迹是一条双曲线，因此方程描述的是双曲线簇；对于方程组(2)，当m’给定，r的轨迹是一条圆曲线，因此方程描述的是圆曲线簇，因此方程组(1)的解是一系列圆和双曲线的交点，这些点的位置满足如下性质：到两个焦点的距离都是整数倍的λ，且到两个焦点的距离之差也是整数倍的λ(参见图2)，每个凹槽的长度L＝|r--r+|和该凹槽的相位中心位置r、r-和r+有关，其中，r-和r+分别是凹槽左侧边中心和右侧边中心的坐标；当r由方程组(1)确定后，r-和r+由方程组(2)确定，其中，rF是离r较远的那个焦点的坐标，即当|rF1-r|＞|rF2-r|时，rF＝rF1；反之rF＝rF2；当凹槽长度满足方程组(2)后，在单个凹槽上各部分位置激发的表面等离激元到任意一个焦点的相位差都小于π,实现相长干涉；又因为各个凹槽相位中心位置r满足方程组(1)，所以在任意一焦点处来自各个凹槽的表面等离激元之间正好相差2π的相位，实现完全相长干涉，从而实现双焦点聚焦。
所述2个亚波长尺寸的焦点3的距离可为15μm。
以下给出具体实施例。
本发明的扫描电镜照片如图3所示。参数如下：结构制备在50nm厚的金膜上表面，金膜下方是170μm厚的盖玻片。入射光的真空波长＝830nm，因此λ＝814nm。偏振方向β＝90°(沿y方向，见图2)。两个焦点之间距离15μm。各个凹槽的中心位置和长度由方程组(1)和(2)确定。选取适当m和m’，挑选出那些距离焦点大约30μm且大致分布在一条线上的凹槽以使整个器件的结构紧凑。凹槽刻蚀深度约20nm。图4(a)是利用漏辐射显微镜[2]探测到的实验结果，可以清楚看到在预定位置实现了双焦点聚焦，焦点半宽～805nm，小于入射波长实现了亚波长聚焦。图4(b)是利用表面等离激元偶极子数值模拟算法[3]得到的表面等离激元强度分布结果，和实验符合得很好，其焦点的半宽是780nm。图5显示了通过改变实验中入射光偏振方向β时，两个焦点的归一化强度发生变化，且焦点相对强度比值能实现在2个焦点之间调控。

Claims (7)

1.一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于设有金属膜，在金属膜的表面上刻蚀有矩形凹槽阵列，在矩形凹槽阵列一侧设有2个亚波长尺寸的焦点，用于实现双焦点聚焦。
2.如权利要求1所述一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于所述金属膜采用金、银、铝中的一种。
3.如权利要求1所述一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于所述金属膜所浸没的环境介质材料选自空气、玻璃、水中的至少一种。
4.如权利要求1所述一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于所述金属膜的厚度不做限制，是无穷厚的金属表面或厚度为几十～几百纳米的金属薄膜，只需满足在选定的波段，在金属膜和所浸没的环境材料界面能支持表面等离激元的传播即可。
5.如权利要求1所述一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于所述矩形凹槽阵列被刻蚀在金属膜表面，即在金属表面挖去长方体空腔，所述长方体空腔的长度与表面等离激元波长在相同数量级，长方体空腔的长度为几百纳米～几个微米之间，宽度为表面等离激元半波长，为几百纳米，深度为几十纳米。
6.如权利要求1所述一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于所述矩形凹槽阵列的中心位置和长度由方程组(1)和(2)确定：
其中，rF1和rF2分别是2个亚波长尺寸的焦点3的位置坐标，r0是直角坐标系原点的位置；m和m’取任意的整数，对于方程组(1)，当m给定，r的轨迹是一条双曲线，因此方程描述的是双曲线簇；对于方程组(2)，当m’给定，r的轨迹是一条圆曲线，因此方程描述的是圆曲线簇；方程组(1)的解是一系列圆和双曲线的交点，所述交点的位置满足如下性质：到两个焦点的距离都是整数倍的λ，且到两个焦点的距离之差也是整数倍的λ，每个凹槽的长度L＝|r--r+|和该凹槽的相位中心位置r、r-和r+有关，其中，r-和r+分别是凹槽左侧边中心和右侧边中心的坐标；当r由方程组(1)确定后，r-和r+由方程组(2)确定，其中，rF是离r较远的那个焦点的坐标，即当|rF1-r|＞|rF2-r|时，rF＝rF1；反之rF＝rF2；当凹槽长度满足方程组(2)后，在单个凹槽上各部分位置激发的表面等离激元到任意一个焦点的相位差都小于π,实现相长干涉；又因为各个凹槽相位中心位置r满足方程组(1)，所以在任意一焦点处来自各个凹槽的表面等离激元之间正好相差2π的相位，实现完全相长干涉，从而实现双焦点聚焦。
7.如权利要求1所述一种表面等离激元双焦点透镜，其特征在于所述2个亚波长尺寸的焦点的距离为15μm。
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