CN111175864B - 一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，所述透镜包括衬底、金属薄膜和十字叉丝型狭缝，所述衬底为透明材质的半导体，金属薄膜镀在衬底上，厚度大于入射光场的趋肤深度；所述十字叉丝型狭缝在金属薄膜上沿同心圆均匀分布，在金属薄膜上蚀刻而成，穿透金属薄膜。本发明的表面等离激元透镜具有对任意偏振光场聚焦的能力，且焦距灵活，容易实现特定焦距的透镜设计。

Description

一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜
技术领域
本发明涉及表面等离激元，特别是一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜。
背景技术
当电磁波入射金属表面时，其与金属表面正交的电场分量会导致金属表面的电子发生集体震荡，这种现象被称为表面等离激元(SPPs，Surface Plasmon polaritons)。
表面等离激元透镜(PL,Plasmonic lens)是一种能够有效激发和操控SPPs实现紧聚焦的亚波长纳米光器件，在微纳光学领域有着重要的应用。依靠不同结构的狭缝等效折射率不同的特性，表面等离激元透镜对波前各处施加不同的相位延迟，使得从透镜出射的光场满足相干加强的条件，从而实现聚焦。
近年来研究人员提出多种PL透镜设计，例如中心对称结构的透镜和光栅结构的透镜，这些结构的透镜的聚焦能力均依赖于入射光场的偏振特性，目前，尚无聚焦能力和照明光场偏振无关的透镜结构被设计出来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，具有对任意偏振光场聚焦的能力。
实现本发明目的的技术方案为：一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，所述透镜包括衬底、金属薄膜和十字叉丝型狭缝；所述金属薄膜镀在衬底上表面，十字叉丝型狭缝在金属薄膜上蚀刻而成，穿透金属薄膜，十字叉丝型狭缝中填充绝缘体材料；十字叉丝型狭缝在透镜上沿同心圆均匀分布，且同一圈十字叉丝结构相同。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明的基于十字叉丝结构的表面等离激元透镜具有对任意偏振光场聚焦的能力，且焦距灵活，容易实现特定焦距的透镜设计。
附图说明
图1为实施例的十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜三维结构示意图。
图2为实施例的透镜横截面示意图。
图3为实施例的十字叉丝狭缝横截面示意图。
图4为实施例的聚焦示意图。
图5为实施例在单位强度X偏振光照明下，光轴上的光强分布图。
图6为实施例在单位强度圆偏振光照明下，光轴上的光强分布图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，所述透镜包括衬底、金属薄膜和十字叉丝型狭缝；所述金属薄膜镀在衬底上表面，十字叉丝型狭缝在金属薄膜上蚀刻而成，穿透金属薄膜，十字叉丝型狭缝中填充绝缘体材料；十字叉丝型狭缝在透镜上沿同心圆均匀分布，且同一圈十字叉丝结构相同。
进一步的，所述衬底为透明介质的半导体材料。
进一步的，所述金属薄膜厚度和入射光场的波长为同一量级。
进一步的，所述金属薄膜材质为金。
进一步的，第i圈十字叉丝分布的同心圆半径为ri，第i圈与第j圈十字叉丝的半径存在如下关系：
Figure BDA0002329992930000021
其中ni为第i圈十字叉丝的等效折射率，T为金属薄膜的厚度，f为预设焦点的位置，di为第i圈十字叉丝出射面几何中心到预设焦点之间的距离，m为一整数，λ为入射光场的波长；
第i圈及第j圈分布的十字叉丝数量之间满足如下关系：
Figure BDA0002329992930000022
其中ki为第i圈分布的十字叉丝的数量，Ei为此圈上单个十字叉丝出射的能量。
本发明的透镜具有对任意偏振光场聚焦的能力，且焦距灵活，容易实现特定焦距的透镜设计。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种十字叉丝环型阵列结构的表面等离激元透镜，如图1所示，包括衬底2，金属薄膜1，十字叉丝结构的狭缝3，衬底2材质为折射率为1.5的石英；金属薄膜1镀在衬底2上表面，材质为金，其厚度大于入射光场的趋肤深度。
如图2，所述十字叉丝结构的狭缝3在金属薄膜1上蚀刻而成，穿透金属薄膜1，内部填充空气，十字叉丝的尺寸小于入射光场的波长。
所述十字叉丝在金属薄膜上以同心圆环状均匀分布，同心圆环可以为两圈或者两圈以上，对于预设焦距为f的透镜，第i圈及第j圈圆环的半径ri，rj之间的关系为：
Figure BDA0002329992930000031
其中ni为第i圈上分布的十字叉丝的等效折射率，di为第i圈十字叉丝的几中心到预设焦点的距离，λ为入射光波的波长，m为一整数。
第i圈及第j圈分布的十字叉丝的数量之间的关系为：
Figure BDA0002329992930000032
其中ki为第i圈分布的十字叉丝的数量，Ei为此圈上单个十字叉丝出射的能量。
图3为实施例的十字叉丝狭缝横截面示意图，图4为实施例的透镜YZ纵截面及聚焦示意图，截面通过透镜的几何中心。
此实施例以折射率为1.5的石英为衬底，金膜厚度为T＝70nm，预设焦点f＝1um。入射光波长＝500nm，设置内圈半径r1＝500nm，利用以上给出的计算方法，得到外圈半径r2＝1272nm，内圈和外圈分布的十字叉丝数量分别为8个和20个。内圈和外圈采用相同结构的十字叉丝，如图3所示，其长臂为260nm，短臂为110nm。
对本实施例的数值模拟计算表明，当单位强度的X方向线偏振光场入射时，焦点处的光强为1.39W/m2，如图5所示，这和单位强度的圆偏振光的焦点强度一致，如图6所示。考虑到任意椭圆偏振光场可以分解为线偏振光场和圆偏振光场的叠加，此特定结构的透镜对其也具有聚焦能力。焦点位置位于1.06um处，和预设焦点的误差为6％。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，其特征在于，所述透镜包括衬底、金属薄膜和十字叉丝型狭缝；所述金属薄膜镀在衬底上表面，十字叉丝型狭缝在金属薄膜上蚀刻而成，穿透金属薄膜，十字叉丝型狭缝中填充绝缘体材料；十字叉丝型狭缝在透镜上沿同心圆均匀分布，且同一圈十字叉丝结构相同；
第i圈十字叉丝分布的同心圆半径为ri，第i圈与第j圈十字叉丝的半径存在如下关系：
Figure FDA0003360500650000011
其中ni为第i圈十字叉丝的等效折射率，T为金属薄膜的厚度，f为预设焦点的位置，di为第i圈十字叉丝出射面几何中心到预设焦点之间的距离，m为一整数，λ为入射光场的波长；
第i圈及第j圈分布的十字叉丝数量之间满足如下关系：
Figure FDA0003360500650000012
其中ki为第i圈分布的十字叉丝的数量，Ei为此圈上单个十字叉丝出射的能量。
2.根据权利要求1所述的十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，其特征在于，所述衬底为透明介质的半导体材料。
3.根据权利要求2所述的十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，其特征在于，所述衬底材质为折射率为1.5的石英。
4.根据权利要求1所述的十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，其特征在于，所述金属薄膜厚度和入射光场的波长为同一量级。
5.根据权利要求1或4所述的十字叉丝环形阵列结构的表面等离激元透镜，其特征在于，所述金属薄膜材质为金。
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