CN108873124A - 一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，透镜以金薄膜为基底，表面刻蚀两列沿阿基米德螺旋线排列的矩形纳米孔；阿基米德螺旋线以内区域，刻蚀若干同心圆排列的空气凹槽，其圆心与透镜中心重合。本发明由单一金属材料刻蚀结构来实现对圆偏振光的手性聚焦，这种透镜主要利用表面等离激元效应以及手性结构下对圆偏振光的相长干涉或相消干涉，不仅可以用于形成亚波长的光针形或光管形的焦场，还可以用于对圆偏振光的检测；通过合理设计透镜的纳米矩形孔的排列以及同心圆凹槽的位置，可以实现对不同圆偏振光的亚波长远场手性聚焦，这就为光捕获、亚波长成像、超分辨率成像、光场角动量检测等相关领域提供技术参考。
Description
技术领域
本发明属于人工微结构材料领域，具体涉及一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜。
背景技术
表面等离激元透镜由于具有独特的偏振响应特性，其亚波长聚焦具有特殊的性质和广泛的应用。目前科研工作者们已经提出了许多不同的结构针对不同偏振态的入射光束，但是现有的各种方法都存在一定的局限。传统透镜难以实现对圆偏振光的手性聚焦，缺乏对圆偏光的检测器件。
基于阿基米德螺旋线结构的等离激元透镜对圆偏光具有手性响应特性，焦场可以用于圆偏光检测和光束的自旋角动量检测研究等等，吸引了科研工作者的广泛关注。传统的该类型透镜都存在一定的缺陷，如聚焦场局限于近场、手性响应较为单一等，限制了焦场使用范围，增加了圆偏振光束检测的技术难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜。
实现本发明目的的技术方案为：一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，所述透镜以金薄膜为基底，表面刻蚀两列沿阿基米德螺旋线排列的矩形纳米孔；阿基米德螺旋线以内区域，刻蚀若干同心圆排列的空气凹槽，其圆心与透镜中心重合。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明提供一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，结构简单、制备容易，且能够实现对圆偏振光束的手性亚波长聚焦和检测；(2)新型透镜结构产生的亚波长光针状或光管状聚焦场，为光捕获、亚波长成像、超分辨率成像、光场角动量检测等相关领域提供技术参考。
附图说明
图1为手性圆偏振光亚波长聚焦透镜剖视图。
图2为手性圆偏振光亚波长聚焦透镜俯视图图。
图3为手性圆偏振光亚波长聚焦透镜的聚焦原理示意图。
图4(a)为右旋圆偏振光实现亚波长光针聚焦的焦平面光强分布图，图4(b)、图4(c)分别为右旋圆偏振光实现亚波长光针聚焦的x-z平面、y-z平面光强分布图。
图5(a)为右旋圆偏振光实现亚波长光管聚焦的焦平面光强分布图，图5(b)、图5(c)分别为右旋圆偏振光实现亚波长光管聚焦的x-z平面、y-z平面光强分布图。
具体实施方式
结合图1、图2、图3，一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，所述透镜以金薄膜为基底，表面刻蚀两列沿阿基米德螺旋线排列的矩形纳米孔；阿基米德螺旋线以内区域，刻蚀若干同心圆排列的空气凹槽，其圆心与透镜中心重合。
进一步的，金薄膜的介电常数为εm＝-12.13+1.13j，厚度为100～400nm。
进一步的，两列阿基米德螺旋线由公式(1)得到：
其中，内侧的阿基米德螺旋线记为阿基米德螺旋线1，外侧的阿基米德螺旋线记为阿基米德螺旋线2，r为矩形纳米孔到同心圆中心点距离；m＝±1，r0＝4λSPP，D为阿基米德螺旋线1和阿基米德螺旋线2上的两个相邻矩形纳米孔的中心点径向距离，λSPP为所述结构的表面等离激元波长，λSPP＝642nm，对应的工作波长λ0＝670nm。
进一步的，D＝3λSPP/4或λSPP/4。
进一步的，矩形纳米孔的长为100～400nm，宽为20～100nm，厚度为100～400nm。
进一步的，同心圆凹槽的宽度为320～10nm，深度为10～160nm，凹槽中心距透镜中心的半径分布于0～2400nm之间。凹槽使得出射面上的光场强度散射入像空间，实现亚波长聚焦。
进一步的，阿基米德螺旋线1上排列的矩形纳米孔，其长度方向与阿基米德螺旋线1的极向夹角为45°；阿基米德螺旋线2上排列的矩形纳米孔，其长度方向与阿基米德螺旋线2的极向夹角为135°。圆偏振光从该透镜底部(无同心圆凹槽时)入射后，在透镜出射面上的光场强度分布为I(R,θ)∝(s+d)2|J(s+m)(kSPPR)|2，其中s＝±1分别对应于左、右旋圆偏振光(圆偏振光的复振幅在x，y方向的分量分别写作Ex，Ey，其比值为Ey/Ex＝si，其中i为当s＝-1时，定义为右旋圆偏振光；当s＝1时，定义为左旋圆偏振光。此定义参考《光学原理》第七版，第26页，马科斯·波恩、埃米尔·沃耳夫著，杨霞荪译，电子工业出版社)，d＝±1分别对应于D＝3λSPP/4或λSPP/4，m＝±1对应于上文阿基米德螺线公式中的参数m，kspp是该结构激发的表面等离激元模式的波矢，R为透镜出射面上一点到透镜中心的距离，从而不同圆偏振态的入射光在对应的透镜结构下表现出手性聚焦特性。当设计参数是d＝-1，m＝1时，以右旋圆偏振光入射，在透镜出射面一侧能够形成光针状聚焦场，以左旋圆偏振光入射，在透镜出射面一侧上述焦点处无法形成聚焦，从而左、右旋圆偏振光入射的情况差异化明显，因此可以用作对圆偏振光的手性检测；而当设计参数是d＝-1，m＝-1时，以右旋圆偏振光入射，在透镜出射面一侧能够形成光管状聚焦场，以左旋圆偏振光入射，在透镜出射面一侧上述焦点处无法形成聚焦，从而左、右旋圆偏振光入射的情况差异化明显，因此可以用作对圆偏振光的手性检测。
本发明提出一种刻蚀有阿基米德螺旋线排列的矩形空阵列和同心圆凹槽构成的金薄膜来实现对圆偏振光束的亚波长手性聚焦。这种透镜主要利用表面等离激元效应以及手性结构下对圆偏振光的相长干涉或相消干涉，不仅可以用于形成亚波长的光针形或光管形的焦场，还可以用于对圆偏振光的检测。通过合理设计透镜的纳米矩形孔的排列以及同心圆凹槽的位置，可以实现对不同圆偏振光的亚波长远场手性聚焦，这就为光捕获、亚波长成像、超分辨率成像、光场角动量检测等相关领域提供技术参考。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图3所示，一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，以金薄膜为基底，刻蚀两列沿阿基米德螺旋线排列的矩形纳米孔，阿基米德螺旋线以内区域，刻蚀若干同心圆排列的空气凹槽。
透镜的金薄膜的介电常数为εm＝-12.13+1.13j，厚度为200nm。两列阿基米德螺旋线由公式得出，其中m＝1，r0＝4λSPP，D＝λSPP/4，λSPP为所述结构的表面等离激元波长，为642nm，对应的工作波长λ0＝670nm。矩形孔的厚度为200nm，长度为240nm，宽度为60nm。阿基米德螺旋线1上排列的矩形孔，其长度方向与阿基米德螺旋线1的极向夹角为45°，阿基米德螺旋线2上排列的矩形孔，其长度方向与阿基米德螺旋线2的极向夹角为135°。同心圆凹槽宽度160nm，厚度100nm，当m＝1时，其半径r'分别为230nm,560nm,890nm,1220nm,1540nm,1850nm and 2180nm；当m＝-1时，其半径r'分别为500nm,880nm,1200nm,1530nm,1840nm and 2170nm。
如图4(a)～图4(c)所示为右旋圆偏振光入射的亚波长光针聚焦的光强分布图。透镜结构参数为s＝-1，d＝-1，m＝1，聚焦光场强度分布为光针型，焦距为1.28μm，焦深为2.95λ0，焦平面内的半高宽为0.43λ0，实现亚波长光针聚焦。其优点是，聚焦场焦距离透镜出射面1μm以上，利于测量，而光针状焦场与图5(a)～图5(c)所示的光管状焦场差异明显，体现该新型结构的手性特征明显，利于用作圆偏振光的检测等用途。另外，亚波长的光针状聚焦场，对于光捕获、亚波长成像、超分辨率成像等应用提供了一种潜在的解决方案。图4(a)为右旋圆偏振光实现亚波长光针聚焦的焦平面(x-y平面)内的光强分布图，图4(b)、图4(c)分别为右旋圆偏振光实现亚波长光针聚焦的x-z平面、y-z平面光强分布图。
如图5(a)～图5(c)所示为右旋圆偏振光实现亚波长光管聚焦的光强分布图。透镜结构参数为s＝-1，d＝-1，m＝-1，聚焦光场强度分布为光管型。在光轴上1.28μm处，光管直径为0.69λ0，焦深为2.92λ0，实现亚波长光管聚焦。其优点是，聚焦场焦距离透镜出射面1μm以上，利于测量，而光管状焦场与图4(a)～图4(c)所示的光针状焦场差异明显，体现该新型结构的手性特征明显，利于用作圆偏振光的检测等用途。另外，亚波长的光管状聚焦场，对于光捕获、亚波长成像、超分辨率成像等应用提供了一种潜在的解决方案。图5(a)为右旋圆偏振光实现亚波长光管聚焦的光轴上1.28μm的x-y平面内的光强分布图，图5(b)、图5(c)分别为右旋圆偏振光实现亚波长光管聚焦的x-z平面、y-z平面光强分布图。
由实施例可以看出，本发明提出的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜结构简易，可以实现对不同圆偏振入射光的亚波长手性聚焦，形成远场的光针或光管的亚波长聚焦。这说明本发明的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜具有对圆偏振入射光的检测功能，以及远场亚波长聚焦功能。
Claims (8)
1.一种手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，所述透镜以金薄膜为基底，表面刻蚀两列沿阿基米德螺旋线排列的矩形纳米孔；阿基米德螺旋线以内区域，刻蚀若干同心圆排列的空气凹槽，其圆心与透镜中心重合。
2.根据权利要求1所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，金薄膜的介电常数为εm＝-12.13+1.13j，厚度为100～400nm。
3.根据权利要求1所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，两列阿基米德螺旋线由公式(1)得到：
其中，内侧的阿基米德螺旋线记为阿基米德螺旋线1，外侧的阿基米德螺旋线记为阿基米德螺旋线2，r为矩形纳米孔到同心圆中心点距离；m＝±1，r0＝4λSPP，D为阿基米德螺旋线1和阿基米德螺旋线2上的两个相邻矩形纳米孔的中心点径向距离，λSPP为所述结构的表面等离激元波长，λSPP＝642nm，对应的工作波长λ0＝670nm。
4.根据权利要求3所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，D＝3λSPP/4。
5.根据权利要求3所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，D＝λSPP/4。
6.根据权利要求1所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，矩形纳米孔的长为100～400nm，宽为20～100nm，厚度为100～400nm。
7.根据权利要求1所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，阿基米德螺旋线1上排列的矩形纳米孔，其长度方向与阿基米德螺旋线1的极向夹角为45°；阿基米德螺旋线2上排列的矩形纳米孔，其长度方向与阿基米德螺旋线2的极向夹角为135°。
8.根据权利要求1所述的手性圆偏振光亚波长聚焦透镜，其特征在于，同心圆凹槽的宽度为320～10nm，深度为10～160nm，凹槽中心距透镜中心的半径分布于0～2400nm之间。
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