CN108415108A - 一种基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜，在金层的中心圆形区域设置纳米孔阵列，并根据需要引入的相移大小设计纳米孔直径，很好地实现光波的聚焦；进一步的，在中心圆区域外围，金层上下表面上设置对称的三对环形沟槽，可以增强入射光的透射性以及出射光的方向性，且其根据需要引入的相移设计沟槽宽度，可以提高超透镜的聚焦效果；最外围的贯穿圆环，进一步增强透过率，提高焦点处的能量；从对本发明的平板超透镜的设计而言，仅使用一个变量(纳米孔直径d)控制相移，仅使用一种材料(金)，具有结构简单且适用性强，同时具有辨率高、偏振不敏感等优点。

Description

一种基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜。

背景技术

传统透镜体积大且无法突破光学衍射极限，超透镜的出现为这一问题提供了新的解决思路。自2000年Pendry首次提出可以用一个负折射材料做成的薄板来实现完美超透镜后，各种不同结构、适用于不同波段的超透镜被提出，较常见的是V型结构、矩形结构等，其多采用二至四个变量来控制相移实现聚焦，且结构和材料较复杂，这给该类超透镜的设计和制造增加了难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜，用于对指定波长的光波进行聚焦，表面沟槽结构可以进一步提高光波的透过率及方向性，使聚焦效果得到增强。

一种平板超透镜，采用金材料的平板制作；

平板中心的圆形区域设置纳米孔阵列；纳米孔的直径根据各纳米孔所在位置(x,y)处需要引入的相移决定：

其中表示坐标点处应提供的相移，λ为入射光波长，f为平板超透镜的焦距；

在孔阵列所在圆形区域的外围，依次排列三对相对于平板上、下表面对称分布的同心环形沟槽；环形沟槽的宽度根据所在位置处需要引入的相移决定。

进一步的，在所述同心环形沟槽的外侧，加工有贯穿圆环。

较佳的，所述贯穿圆环由两个间隔的同心半圆环组成。

较佳的，所述纳米孔阵列中包含有八种不同直径，分别对应引入π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4和2π的相移。

较佳的，平板超透镜厚度为100nm；当入射光波波长为980nm，平板超透镜焦距为5μm时，所述纳米孔阵列中包含有八种不同直径，分别350nm、444nm、320nm、232nm、392nm、336nm、288nm、216nm；纳米孔阵列周期为550nm。

较佳的，三个环形沟槽宽度w依次为320nm、392nm、288nm；沟槽深度为40nm。

较佳的，相邻环形沟槽中心距离为550nm。

较佳的，平板超透镜厚度为100nm；当入射光波波长为980nm，平板超透镜焦距为5μm时，所述纳米孔阵列中包含有八种不同直径，分别350nm、444nm、320nm、232nm、392nm、336nm、288nm、216nm；纳米孔阵列周期为550nm；贯穿圆环的宽度为350nm。

本发明具有如下有益效果：

本发明在金层的中心圆形区域设置纳米孔阵列，并根据需要引入的相移大小设计纳米孔直径，很好地实现光波的聚焦；进一步的，在中心圆区域外围，金层上下表面上设置对称的三对环形沟槽，可以增强入射光的透射性以及出射光的方向性，且其根据需要引入的相移设计沟槽宽度，可以提高超透镜的聚焦效果；最外围的贯穿圆环，进一步增强透过率，提高焦点处的能量；从对本发明的平板超透镜的设计而言，仅使用一个变量(纳米孔直径d)控制相移，仅使用一种材料(金)，具有结构简单且适用性强，同时具有分辨率高、偏振不敏感等优点。

附图说明

图1是本发明的基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜的一个实施例的示意图，其中图1(a)为立体图，图1(b)为俯视图，图1(c)为剖面图。

图2是本发明的平板超透镜的一个实施例得到的焦点处强度分布曲线图，其中虚线为仅有纳米孔阵列无表面沟槽结构的超透镜的强度分布曲线，实线为同时具有纳米孔和表面沟槽结构的超透镜的强度分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜，如图1所示，通过在h＝100nm厚的金层上打孔及刻环形沟槽来实现。

以金层的中心为坐标原点，为实现聚焦功能，理论上可以通过下式计算得到平板超透镜每一点应该引入的相移：

其中表示坐标(x,y)点处应提供的相移，λ为入射光波长，f为此平板超透镜的焦距。本发明通过在中心的圆形区域加工纳米孔阵列实现聚焦功能，不同直径的纳米孔可以引入不同的相移，为使引入的相移覆盖全2π，通过时域有限差分法，利用FDTD仿真软件对单一纳米孔进行仿真，改变纳米孔直径，记录其对入射光波的相位改变量。比较分析后，选择八个不同的直径d，使其对应引入π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4、2π的相移。

将八个可以引入不同相移的纳米孔与公式(1)计算得到的各个坐标点处应引入的相移按照相差最小的原则一一对应，从而确定不同位置处的纳米孔的直径。纳米孔阵列的单元结构周期p应大于纳米孔的最大直径，同时满足(其中NA为透镜的数值孔径)，最终选择单元结构周期p＝550nm。

在孔阵列所在圆形区域的外围，依次排列三对相对于金层上下表面对称分布的同心环形沟槽，深度均为k＝40nm，相邻环形沟槽中心距离为p＝550nm。不同环形沟槽的宽度w可以引入不同的相移，宽度w随坐标改变。同心环形沟槽的宽度根据此位置要引入的相移大小计算，类似于纳米孔，将环形沟槽的宽度w等同于沟槽内切圆的直径，因此计算方法与计算纳米孔直径的方法一致。

在同心环形沟槽的外侧，加工有贯穿圆环，有两部分未贯穿，可以看做两个未拼接到一起的贯穿半圆环，这使得整个结构保持为一个整体。

本发明中，中心圆形区域的纳米孔阵列本身可实现透镜的聚焦功能；表面沟槽结构最初被用来提高单孔的透射，入射光和表面等离子体在金属表面的相互耦合激发可以使透过单孔的光波能量得到增强，传统的表面沟槽结构均为周期性结构，各个沟槽的宽度相等。本发明中，在增强透射能量的前提下，按照相移大小还对环形沟槽的宽度进行了设计，并增加了一个贯穿圆环，外围的环形沟槽通过入射光和表面等离子体在金属表面的相互耦合激发提高了超透镜的透过率及方向性，起到了增强其聚焦效果的作用。

实施例：

本实施例中的基于纳米孔和表面沟槽结构的平板超透镜，采用非周期性结构，基本结构是在一个100nm厚的金层上打孔及刻环形沟槽。如图1所示，超透镜整体为一个厚h＝100nm的金层，金层尺寸为9μm×9μm，以金层中心为坐标原点排布纳米孔，选择的八个纳米孔直径分别为350nm、444nm、320nm、232nm、392nm、336nm、288nm、216nm，光源选用980nm，焦距定为5μm，相邻单元结构间距p＝550nm，按照已确定的参数排布好纳米孔阵列。在纳米孔阵列外侧依次排列三对上下对称分布的深度均为k＝40nm的同心环形沟槽和一个贯穿圆环，相邻环形沟槽中心距离为p＝550nm，本实施例中四个环形沟槽的宽度w依次为320nm、392nm、288nm、350nm。

图2为按照实施例提供的平板超透镜的z＝5μm的平面上沿着x轴的聚焦效果曲线图，从图2中可以看出，在z＝5μm、x＝0，即设定的焦点处，强度达到最大值，焦点处具有明显的聚焦效果，且增加表面沟槽结构的超透镜在焦点处能量更强，聚焦效果更好。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (8)

1.一种平板超透镜，其特征在于：

采用金材料的平板制作；

平板中心的圆形区域设置纳米孔阵列；纳米孔的直径根据各纳米孔所在位置(x,y)处需要引入的相移决定：

其中表示坐标点处应提供的相移，λ为入射光波长，f为平板超透镜的焦距；

在孔阵列所在圆形区域的外围，依次排列三对相对于平板上、下表面对称分布的同心环形沟槽；环形沟槽的宽度根据所在位置处需要引入的相移决定。

2.如权利要求1所述的一种平板超透镜，其特征在于，在所述同心环形沟槽的外侧，加工有贯穿圆环。

3.如权利要求2所述的一种平板超透镜，其特征在于，所述贯穿圆环由两个间隔的同心半圆环组成。

4.如权利要求1或2所述的一种平板超透镜，其特征在于，所述纳米孔阵列中包含有八种不同直径，分别对应引入π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4和2π的相移。

5.如权利要求4所述的一种平板超透镜，其特征在于，平板超透镜厚度为100nm；当入射光波波长为980nm，平板超透镜焦距为5μm时，所述纳米孔阵列中包含有八种不同直径，分别350nm、444nm、320nm、232nm、392nm、336nm、288nm、216nm；纳米孔阵列周期为550nm。

6.如权利要求5所述的一种平板超透镜，其特征在于，三个环形沟槽宽度w依次为320nm、392nm、288nm；沟槽深度为40nm。

7.如权利要求5所述的一种平板超透镜，其特征在于，相邻环形沟槽中心距离为550nm。

8.如权利要求2所述的一种平板超透镜，其特征在于，平板超透镜厚度为100nm；当入射光波波长为980nm，平板超透镜焦距为5μm时，所述纳米孔阵列中包含有八种不同直径，分别350nm、444nm、320nm、232nm、392nm、336nm、288nm、216nm；纳米孔阵列周期为550nm；贯穿圆环的宽度为350nm。