CN109375299B - 一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本发明的亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，包括基底以及基底上的银膜；银膜上分布有周期性结构阵列；每个结构包括对银膜进行刻蚀形成的圆形凹槽，以及保留在圆形凹槽中心区域的椭圆环状银膜；其中，圆形凹槽和椭圆环状银膜的尺寸均为纳米量级；在合适波长下，激发表面电场服从理论计算分布，能够在光学近场区域产生双光斑，光斑尺寸处于亚波长量级，形状呈理想圆形，具有良好的分裂聚焦特性；并且本发明聚焦结构本对工作方位角不敏感，在0°至80°取向方位角范围内均能保持良好的分裂聚焦效果。

Description

一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构
技术领域
本发明属于微纳光学应用、近场光学聚焦成像、集成光学系统设计等技术领域，具体涉及一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构。
背景技术
光学技术的迅速发展对聚焦成像系统的分辨率需求持续增高。经典光学聚焦成像问题中，透镜工作距离一般都远大于波长，只能对空间频率较小的传播光波进行调制。光的传播满足一般的衍射定律，存在衍射极限，难以满足光学技术的发展需求。并且传统聚焦透镜多由自然晶体制成，体积大，集成难度高。
解决聚焦结构分辨力受限与集成化问题的一种有效手段是设计一种亚波长金属聚焦结构，通过激发表面等离子体效应操控表面倏逝波，实现突破衍射极限的亚波长超分辨聚焦。利用金属微纳结构实现对倏逝波的调控产生亚波长聚焦，引起越来越多的学者关注，通过精密设计微纳结构，可以获得多种材料与结构的微纳聚焦结构，进而对聚焦效果进行调控。例如：利用介电常数和磁导率均为-1的负折射率材料制作平板理想透镜结构(Physical Review Letters,2000,85(18),3966-3969)，该结构在对传播光波成分聚焦的同时，也对倏逝波成分产生聚焦增强效应，突破衍射极限实现亚波长聚焦；利用周期性排布的纳米圆孔构成光学近场聚焦结构(Nature,1998,391(6),1114-1117)，该结构利用光透过亚波长周期金属圆孔产生的增强透射效应，使得圆孔出射面附近局部倏逝波强度较高，形成数十纳米量级的近场亚波长聚焦光斑；利用蝴蝶结型纳米孔和周期圆环狭缝结构结合，制作了复合亚波长近场聚焦结构(Scientific Reports,2011,1(11),116-120)，该结构通过同时激发传播型和局域型的表面等离激元，进一步增加局域增强场强度，能够产生尺寸为20nm左右的近场光斑；利用亚波长狭缝结构制作长焦近场聚焦结构(Physical ReviewX,2014,4(3),1767-1770)，利用狭缝结构中的Fano共振效应，在调制倏逝波相消干涉的同时弥补了倏逝波的强度衰减，能够有效提高近场聚焦微纳结构的焦距。然而已报道的亚波长聚焦微纳结构只能够产生单一的聚焦光斑，缺少用于产生双光斑分裂聚焦的结构设计。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，可以在光学近场区域内产生双光斑分裂聚焦效应。
一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，包括基底以及基底上的银膜；银膜上分布有周期性结构阵列；每个结构包括对银膜进行刻蚀形成的圆形凹槽，以及保留在圆形凹槽中心区域的椭圆环状银膜；其中，圆形凹槽和椭圆环状银膜的尺寸均为纳米量级。
较佳的，所述基底为折射率n＝1.4-1.5的石英玻璃。
较佳的，所述椭圆环状银膜的外环长轴与短轴的长度比大于1.1且椭圆环状银膜的环宽大于12nm。
较佳的，所述圆形凹槽半径长r为55nm至60nm，椭圆环状银膜的内环的长半轴ai为16nm至18nm，椭圆环状银膜内环的短半轴bi为10nm至12nm，椭圆环状银膜外环的长半轴ao为30nm至35nm，椭圆环状银膜外环的短半轴bo为22nm至25nm。
较佳的，银膜厚度t为16nm至18nm。
较佳的，所述结构的周期长度d为370nm至390nm。
本发明具有如下有益效果：
本发明的亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，在合适波长下，激发表面电场服从理论计算分布，能够在光学近场区域产生双光斑，光斑尺寸处于亚波长量级，形状呈理想圆形，具有良好的分裂聚焦特性；并且本发明聚焦结构本对工作方位角不敏感，在0°至80°取向方位角范围内均能保持良好的分裂聚焦效果。
附图说明
图1为本发明的亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构的三维示意图，t为银层厚度，f为焦距；
图2为本发明中圆形凹槽-椭圆环组合结构二维俯视图，r为圆形纳米凹槽半径，ai为银纳米环内环椭圆长半轴，bi为银纳米环内环椭圆短半轴，ao为银纳米环外环椭圆长半轴，bo为银纳米环外环椭圆短半轴，d为结构单元周期长度；
图3为分裂聚焦结构受激发产生的表面场强分布图；
图4为分裂聚焦结构表面电场分布与理论电场分布对比图；
图5为焦面场强分布图；
图6为银椭圆纳米环长短轴比值与双光斑中心距离的变化关系曲线；
图7为银椭圆纳米环环宽与双光斑中心距离的变化关系曲线；
图8为聚焦结构取向方位角与双光斑中心距离的变化关系曲线。
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。
本发明的亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，如图1和2所示，该结构包括基底以及基底上的银膜；银膜上分布有周期性圆形凹槽-椭圆环组合结构阵列；每个圆形凹槽-椭圆环组合结构包括对银膜进行刻蚀形成的圆形凹槽，以及保留在圆形凹槽中心区域的椭圆环状银膜；其中，圆形凹槽和椭圆环的尺寸均为纳米量级；基底为折射率n＝1.4-1.5的石英玻璃。
本发明的亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构的聚焦原理为：纳米量级的椭圆环等效于金属纳米颗粒，受平面波激发时会产生局域等离子体共振效应，进而激发产生相位差为π，强度不等的表面局域增强电场分布。在光学近场区域内，实现理想双光斑分裂聚焦的聚焦结构表面倏逝波电场分布数学表达为
Figure BDA0001838630180000041
其中x代表空间位置坐标，l代表焦距，q0代表调控倏逝波波矢大小，b为常数，表示sinc(q0x)函数的中心强度极大值对应的X轴坐标值与相邻的强度极小值对应的X轴坐标值之间的差。激发表面电场分布与该式相符，在近场焦面产生双光斑分裂聚焦。
亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构的仿真模型构建及结构优化，具体步骤为：
步骤101、无限厚基底上层构建圆形凹槽-椭圆环组合结构；
步骤102、设置光源形式，光源位置，光源偏振模式，光源波长；
步骤103、设置监视器及分析器维度，作用范围；
步骤104、确定仿真模型大小，设置仿真最小精度及边界条件；
步骤105、设定双光斑间隔和光斑强度值，利用循环遍历法对圆形凹槽-椭圆环结构的几何参数进行优化，可以控制单一变量优化亦可多个变量同时优化；
步骤106、确定最优结构参数，仿真双光斑特征参数以及不同光场振动方向条件下对双光斑分裂聚焦的影响。
进一步地，进行本发明仿真模型性能分析，633nm平面波激发时该结构能够在光学近场区域实现双光斑分裂聚焦，光斑形状为圆形，光斑半高全宽为50nm达到亚波长量级；控制聚焦结构椭圆环外环长、短轴长度比大于1.1且椭圆环宽大于12nm，双光斑中心距离大于零；在理想结构参数下，控制聚焦结构工作取向方位角在0°至80°范围内能够保证双光斑中心距离大于零，分裂聚焦效果明显。
实施例：
利用时域有限差分法进行该结构透射场的数值仿真。该聚焦结构的参数为圆形凹槽半径长r＝55nm-60nm，椭圆环内环的长半轴ai＝16nm-18nm，椭圆环内环的短半轴bi＝10nm-12nm，椭圆环外环的长半轴ao＝30nm-35nm，椭圆环外环的短半轴bo＝22nm-25nm，银膜厚度t＝16nm-18nm，结构单元周期长度d＝370nm-390nm(图2)。无限厚玻璃基底的折射率为1.4-1.5。在x、y轴方向设置周期性边界条件，在z轴方向设置完美匹配层(PML)边界条件。一束X线偏振平面波从结构基底一侧垂直入射，激发银椭圆纳米环结构产生局域等离子体共振效应。银椭圆纳米环受光波激发，金属内部自由电荷聚集在椭圆环内环和外环的边脊，产生多处局部增强电场(图3)。根据银椭圆纳米环表面极化特性，不同位置的局部增强电场瞬时振动方向相反，相位差为π。过聚焦结构中心沿X轴方向的一维电场分布曲线与理论电场分布相符(图4)，根据角谱传播原理，分裂聚焦结构表面电场与理论分布相符，在光学近场区域内的焦面上能够产生理想的双光斑分布。
根据上述方案原理，我们主要对该分裂聚焦结构的聚焦效果、结构参数以及工作取向方位角对聚焦效果的影响进行分析。分裂聚焦结构焦面上产生两个对称分布的光斑(图5)，银椭圆纳米环激发的局域等离子体共振效应增加了附近区域局域电场强度，光斑中心最高强度达到入射光强度的2.7倍。焦面上两个光斑均呈圆形分布，两光斑中心距离约62nm。过光斑中心的半高全宽值约为50nm，达到亚波长量级，分辨力远大于传统透镜结构。探究发现光线正入射时，结构参数变化可以影响聚焦效果，导致双光斑合并。由于银椭圆纳米环是产生局域等离子体共振效应的主要结构，因此只对该纳米环参数变化对聚焦性能的影响进行仿真分析。设置参数变化步长为1nm，通过遍历方法得到不同纳米环结构参数下双光斑中心距离的变化情况如图6、7所示，控制聚焦结构椭圆纳米环外环长短轴长度比大于1.1且纳米环宽大于12nm，双光斑中心距离大于零。探究发现分裂聚焦结构取向方位角变化同样影响聚焦效果，导致双光斑合并。根据设计单元结构的轴对称特性，我们只对0°至90°的方位角范围进行仿真研究。设置结构取向方位角参数变化步长为5°，通过遍历方法得到不同取向方位角下双光斑中心距离的变化情况如图8所示。在初始设计结构参数下，控制聚焦结构工作取向方位角在0°至80°范围内能够保证双光斑中心距离大于零，分裂聚焦效果明显，分裂聚焦结构对取向方位角不敏感，聚焦性能稳定性强，对制备工艺和结构使用条件要求宽松，可以广泛地应用于等离子体光刻、近场光学存储、非接触传感等近场光学领域中。
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 (5)

1.一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，其特征在于，包括基底以及基底上的银膜；银膜上分布有周期性结构阵列；每个结构包括对银膜进行刻蚀形成的圆形凹槽，以及保留在圆形凹槽中心区域的椭圆环状银膜；其中，圆形凹槽和椭圆环状银膜的尺寸均为纳米量级；所述椭圆环状银膜的外环长轴与短轴的长度比大于1.1且椭圆环状银膜的环宽大于12nm。
2.如权利要求1所述的一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，其特征在于，所述基底为折射率n＝1.4-1.5的石英玻璃。
3.如权利要求1所述的一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，其特征在于，所述圆形凹槽半径长r为55nm至60nm，椭圆环状银膜的内环的长半轴ai为16nm至18nm，椭圆环状银膜内环的短半轴bi为10nm至12nm，椭圆环状银膜外环的长半轴ao为30nm至35nm，椭圆环状银膜外环的短半轴bo为22nm至25nm。
4.如权利要求1所述的一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，其特征在于，银膜厚度t为16nm至18nm。
5.如权利要求1所述的一种亚波长双光斑分裂聚焦微纳结构，其特征在于，所述结构的周期长度d为370nm至390nm。
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《金膜上亚波长周期性孔阵的模拟与研制》;王卉 等;《光学学报》;20090630;第29卷(第6期);第1638-1643页 *

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