CN108919392B - 一种直线型表面等离激元透镜及其照明方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直线型表面等离激元透镜及其照明方法。表面等离激元透镜由相隔为一个表面等离激元波长的两条直线状狭缝组成或一系列沿纵向排列成直线的两条狭缝组构成。狭缝被外部入射激光照明时，在金属表面激发的表面等离激元相位与入射到该点的激发光相位密切相关。当入射到该狭缝的多个空间不连续的不同相位的激发光斑之间形成的波前在同一圆弧上时，则激发出来的表面等离激元波前在金属表面也形成一段圆弧，从而可以使表面等离激元聚焦在圆弧的圆心。此时，金属表面的狭缝成为一个表面等离激元透镜。

Description

一种直线型表面等离激元透镜及其照明方法
技术领域
本发明涉及一种表面等离激元调控的装置及方法，特别涉及一种直线型表面等离激元透镜及其照明方法。
背景技术
通过对入射聚焦物镜的激光进行振幅、相位、偏振等调制，以产生焦点区域各种强度分布、相位分布和偏振分布的光斑一直是一个非常重要的研究方向。目前已可以对焦点的数量、位置、偏振、位相和强度分别独立进行调制。
随着纳米微结构、微光电器件、人工超材料研究的深入，这类器件和材料的照明与激发光路已显得越来越重要。如表面等离激元开关、表面等离激元逻辑门的照明需要在横向同一平面内的多个位相、数量、位置、偏振可控的微米尺寸聚焦激光光斑。
由于波长比较短，表面等离激元为获得更高分辨率的光场提供了一种可能。例如，表面等离激元光刻就是利用了波长更短的特点。表面等离激元的增强和压缩是上述应用所必须的。而表面等离激元透镜是一种比较常见的增强和压缩的方法。但是目前表面等离激元透镜的结构都是圆对称结构。照明方法则大多数用径向偏振光或圆偏振光。圆对称结构虽然可以产生高度压缩和增强的圆对称表面等离激元光斑，可是这种结构是圆形封闭的。表面等离激元光斑无法作为微纳光子学的一个光源或输入端应用于其他集成器件。因此，研究一种开放的能够克服圆对称封闭式结构缺陷的表面等离激元透镜结构成为一个重要的问题。然而现有的开放式结构及其照明方法通常无法实现表面等离激元的增强和压缩。为此，本发明提出一种可以实现表面等离激元增强和压缩的直线状表面等离激元透镜结构及其相应的照明方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实现表面等离激元增强和压缩的直线状表面等离激元透镜结构及其相应的照明方法。
本发明所提供的技术方案如下：
一种直线型表面等离激元透镜，包括设置在贵金属表面上的两条平行的直线状狭缝，狭缝长度是表面等离激元波长的十倍到二十倍；狭缝的宽度为表面等离激元波长的三分之一，狭缝的深度为贵金属膜的厚度，两条狭缝的间距为一个表面等离激元波长。
本发明还提供了一种直线型表面等离激元透镜的照明方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据入射贵金属表面的激光波长确定产生的表面等离激元波长；
步骤S2，根据表面等离激元波长，在贵金属表面制作两条平行的直线状狭缝，狭缝长度是表面等离激元波长的十倍到二十倍，狭缝的宽度为表面等离激元波长的三分之一，狭缝的深度为贵金属膜的厚度，两条狭缝的间距为一个表面等离激元波长；
步骤S3，将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射型纯相位空间光调制器进行相位调制，利用4F傅里叶变换系统中继调制相位到物镜后孔径平面，并利用物镜聚焦，产生奇数个独立的、相位可调的、波长尺度大小的、排列成直线状的照明光斑；
步骤S4，直线状照明光斑入射到直线状狭缝结构后，在金属表面激发出向两侧传播的表面等离激元波；入射时，直线状照明光斑排列方向与狭缝方向平行；
步骤S5，当排列成直线状的奇数个相位独立可调的照明光斑形成的波前处于一段圆弧上时，则向两侧传播的表面等离激元波前也处于一段圆弧上，此时圆弧对应的圆心成为表面等离激元波聚焦的位置，贵金属表面的两条平行的直线状狭缝则成为表面等离激元透镜。
作为本发明的进一步限定：根据入射贵金属表面的激光波长确定产生的表面等离激元波长的计算表达式为
Figure BDA0001720107600000031
其中λ为入射激光波长，εm为金属的介电常数，εd为空气的介电常数。
作为本发明的进一步限定：奇数个照明光斑排列成一条直线，光斑与相邻光斑的间距小于表面等离激元波长，大于表面等离激元波长的一半。
作为本发明的进一步限定：奇数个照明光斑排列成一条直线后，其中心位置与直线型表面等离激元透镜的中心位置重合。
作为本发明的进一步限定：假定处于中心位置即y＝0的光斑相位为0，则向两侧延伸排列的其它光斑的相位φ与光斑所在位置的y值、表面等离激元波长λspp，表面等离激元透镜焦点和中心的距离F之间满足以下关系:
Figure BDA0001720107600000041
本发明的有益效果是：设计了开放的直线型表面等离激元透镜并引入了相应的相位独立可控多焦点光斑作为入射照明光源。在这种特殊照明光源照射下，直线型表面等离激元透镜可以实现表面等离激元的增强和压缩，从而为集成光子学器件提供了可用光源，输入端和激发器件。本发明可以广泛应用在纳米微结构、微光电器件、人工超材料等领域进一步作为激发光源。
附图说明
图1为本发明一种直线型表面等离激元透镜及其照明方法的实施示意图。
附图1中，各标号所代表的部件列表如下：
1、具有独立可调相位的线偏振入射光斑，2、奇数个等间距照明光斑形成的圆弧形波前，3、直线状狭缝结构，4、会聚的圆弧形表面等离激元波前，5、增强和压缩的表面等离激元光斑，6、贵金属膜表面。
图2是一个加载在空间光调制器上的完整的相位调制灰度图。
图3为实施例中所述九个等间距光斑的强度示意图。
图4为实施例中所述九个等间距光斑的相位示意图。
图5为直线状表面等离激元透镜在对所激发的表面等离激元的聚焦。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1，一种直线型表面等离激元透镜，包括设置在贵金属表面上的两条平行的直线状狭缝，狭缝长度是表面等离激元波长的十倍到二十倍；狭缝的宽度为表面等离激元波长的三分之一，狭缝的深度为贵金属膜的厚度，两条狭缝的间距为一个表面等离激元波长。
本发明还提供了一种直线型表面等离激元透镜的照明方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据入射贵金属表面的激光波长确定产生的表面等离激元波长；
步骤S2，根据表面等离激元波长，在贵金属表面制作两条平行的直线状狭缝，狭缝长度是表面等离激元波长的十倍到二十倍，狭缝的宽度为表面等离激元波长的三分之一，狭缝的深度为贵金属膜的厚度，两条狭缝的间距为一个表面等离激元波长；
步骤S3，将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射型纯相位空间光调制器进行相位调制，利用4F傅里叶变换系统中继调制相位到物镜后孔径平面，并利用物镜聚焦，产生奇数个独立的、相位可调的、波长尺度大小的、排列成直线状的照明光斑；
步骤S4，直线状照明光斑入射到直线状狭缝结构后，在金属表面激发出向两侧传播的表面等离激元波；入射时，直线状照明光斑排列方向与狭缝方向平行；
步骤S5，当排列成直线状的奇数个相位独立可调的照明光斑形成的波前处于一段圆弧上时，则向两侧传播的表面等离激元波前也处于一段圆弧上，此时圆弧对应的圆心成为表面等离激元波聚焦的位置，贵金属表面的两条平行的直线状狭缝则成为表面等离激元透镜。
具体的，根据入射贵金属表面的激光波长确定产生的表面等离激元波长的计算表达式为
Figure BDA0001720107600000061
其中λ为入射激光波长，εm为金属的介电常数，εd为空气的介电常数。
具体的，奇数个照明光斑排列成一条直线，光斑与相邻光斑的间距小于表面等离激元波长，大于表面等离激元波长的一半。
具体的，奇数个照明光斑排列成一条直线后，其中心位置与直线型表面等离激元透镜的中心位置重合。
具体的，假定处于中心位置即y＝0的光斑相位为0，则向两侧延伸排列的其它光斑的相位φ与光斑所在位置的y值、表面等离激元波长λspp，表面等离激元透镜焦点和中心的距离F之间满足以下关系:
Figure BDA0001720107600000062
如图1所示，实施例1：
假定：入射激光波长λ＝633nm，物镜数值孔径N.A.＝1，焦点区域的折射率nt＝1.33，入射光瞳半径R＝3.25mm，而表面等离激元透镜由镀在二氧化硅基底上的金膜构成，膜厚150纳米。利用聚焦离子束刻蚀相距600纳米的两条平行狭缝(该间距等于表面等离激元波长λspp＝600nm)。缝宽200纳米，狭缝长度10微米。
通过对入射物镜的线偏振光的相位调制，如图2，可产生相位可调的九个等间距的排列成直线的光斑，如图3所示。并且每个光斑相距为700纳米，设计表面等离激元透镜的焦距为4800nm。则由前文所述公式可算出每个焦点的相对相位。假定中心光斑相位为0，则九个光斑的相位计算结果为：94.19°，263.56°，120°，30.46°，0°，30.46°，120°，263.56°，94.19°。当这九个相距为700纳米，相位分别为这些数值时，照射上述结构参数的狭缝，即可在4800纳米处形成一个表面等离激元聚焦光斑，如图5所示。
具体如何产生上述直线光斑，对于本领域技术人员而言是现有技术，参见申请号为201510995961.5的中国发明专利。
由实施例可见，本发明可以通过空间光调制器产生相位独立可控的奇数个线偏振光斑，用于照射直线状狭缝结构表面等离激元透镜，从而产生一个对其他邻近纳米光子学器件开放的增强和压缩的表面等离激元聚焦光斑。
以上所述仅为本发明的典型实施例，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 (5)

1.一种直线型表面等离激元透镜的照明方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1，根据入射贵金属表面的激光波长确定产生的表面等离激元波长；
步骤S2，根据表面等离激元波长，在贵金属表面制作两条平行的直线状狭缝，狭缝长度是表面等离激元波长的十倍到二十倍，狭缝的宽度为表面等离激元波长的三分之一，狭缝的深度为贵金属膜的厚度，两条狭缝的间距为一个表面等离激元波长；
步骤S3，将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射型纯相位空间光调制器进行相位调制，利用4F傅里叶变换系统中继调制相位到物镜后孔径平面，并利用物镜聚焦，产生奇数个独立的、相位可调的、波长尺度大小的且排列成直线状的照明光斑；
步骤S4，直线状照明光斑入射到直线状狭缝结构后，在金属表面激发出向两侧传播的表面等离激元波；入射时，直线状照明光斑排列方向与狭缝方向平行；
步骤S5，当排列成直线状的奇数个相位独立可调的照明光斑形成的波前处于一段圆弧上时，则向两侧传播的表面等离激元波前也处于一段圆弧上，此时圆弧对应的圆心成为表面等离激元波聚焦的位置，贵金属表面的两条平行的直线状狭缝则成为表面等离激元透镜。
2.根据权利要求1所述的直线型表面等离激元透镜的照明方法，其特征在于：根据入射贵金属表面的激光波长确定产生的表面等离激元波长的计算表达式为
Figure FDA0002751681110000021
其中λ为入射激光波长，εm为金属的介电常数，εd为空气的介电常数。
3.根据权利要求1所述的直线型表面等离激元透镜的照明方法，其特征在于：奇数个照明光斑排列成一条直线，光斑与相邻光斑的间距小于表面等离激元波长，大于表面等离激元波长的一半。
4.根据权利要求1所述的直线型表面等离激元透镜的照明方法，其特征在于：奇数个照明光斑排列成一条直线后，其中心位置与直线型表面等离激元透镜的中心位置重合。
5.根据权利要求1至4任一所述的直线型表面等离激元透镜的照明方法，其特征在于：假定处于中心位置即y＝0的光斑相位为0，则向两侧延伸排列的其它光斑的相位φ与光斑所在位置的y值、表面等离激元波长λspp，表面等离激元透镜焦点和中心的距离F之间满足以下关系:
Figure FDA0002751681110000022
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Denomination of invention: A linear surface plasmon lens and its illumination method

Effective date of registration: 20211216

Granted publication date: 20201208

Pledgee: Yantai financing guarantee Group Co.,Ltd.

Pledgor: LUDONG University

Registration number: Y2021980015152

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right
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Date of cancellation: 20220317

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