CN111290058A - 表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，步骤为：在一种已有SPPs相位调节超表面原始结构的左侧刻蚀单个反射光栅，将左侧由原始结构激发的SPPs反射至右侧，其中反射光栅的刻蚀方式为不完全刻蚀，光源设置在整个超表面下方，即背部照明方式；调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，提高激发效率；将单个反射光栅扩展至多个即形成反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控。本发明避免了对原有结构激发的SPPs的干扰，实现SPPs的定向传播和耦合增强，进一步提高SPPs的激发效率且不影响超表面原有的相位调节能力。

Description

表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法

技术领域

本发明涉及一种超分辨成像技术，具体为一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法。

背景技术

表面等离激元学是近几年来研究十分活跃的一门光学分支学科，当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体震荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，当入射光波的频率与自由电子的振荡频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式，共振时产生的表面电磁波即为表面等离子激元(SPPs)。SPPs能够将光波束缚在远小于波长的范围内，从而突破衍射极限，控制光在纳米尺度上的传播与发散。此外，这种强有力的场约束能够显著增强SPPs与金属界面处的电磁辐射间的共振，使界面局部处的场产生增强响应，导致显著增强的光学近场。到目前为止，SPPs在超分辨成像、纳米光刻、高密度数据存储、生物传感、单分子检测及集成光电子等领域都发挥着重要的作用。超表面是超材料的一种二维平面形式(如图1所示)，由平面上基于相位突变和极化控制思想设计的亚波长结构单元组成，利用超表面的突破经典光学局限的能力，可以有效的实现对SPPs的波前调控，包括对振幅、相位和偏振的调控(如图2所示)。并且由于SPPs在超表面和空气的界面传播，并非在材料里传播，因此SPPs在超表面的传播损耗可以设计的比较小。此外，超表面具有尺寸薄、加工精确、易于共形，集成度高等优点，对于控制SPPs的传播具有重大的优势，并迅速成为超表面领域一个重要学术发展方向。

但是目前这种对表面波进行调控的方式还存在着许多不足，比如金属欧姆损耗和镜面反射的存在，使得SPPs的激发效率较低，纳米结构需要有目的性的特殊设计，导致超表面功能单一。论文《Polarization-to-Phase Coupling at a Structured Surface forPlasmonic Structured Illumination Microscopy》提出了一种偏振调控SPPs超表面，其通过圆偏振光可以分解为两个相互垂直，带有90°相位差的电场分量的特性，在金膜上刻蚀两列相互垂直并分别垂直于两电场分量的纳米矩形孔以激发SPPs，通过调节两列纳米孔的间距，使得两电场分量具有的相位差转化成平面SPPs波相位，改变圆偏振光的左旋右旋特性以及线偏振光单侧激发实现对激发的SPPs的相位调节。但是SPPs激发效率过低，需要刻蚀多周期结构提高SPPs激发效率，同时结构两侧均能形成SPPs驻波，但应用于超分辨成像仅需要一侧，造成资源浪费。

发明内容

针对现有技术中激发方向不定导致资源浪费，以及激发效率低等不足，本发明要解决的问题是提供一种可定向激发SPPs并提高其激发效率的表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，用于表面等离激元结构光照明超分辨显微成像中，包括以下步骤：

1)在一种已有SPPs相位调节超表面原始结构的左侧刻蚀单个反射光栅，将左侧由原始结构激发的SPPs反射至右侧，其中反射光栅的刻蚀方式为不完全刻蚀，光源设置在整个超表面下方，即背部照明方式；

2)调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，提高激发效率；

3)将单个反射光栅扩展至多个即形成反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控。

步骤1)中，通过采用背部照明和不完全刻蚀的反射光栅的方法，实现将由一种已有SPPs相位调节超表面原始结构激发的左侧SPPs反射至右侧，具体为：利用背部照明方式和不完全刻蚀的反射光栅，避免完全刻蚀的反射光栅会同时激发SPPs造成干扰；当反射光栅中心与原始结构左侧纳米孔阵列中心相距为d时，反射SPPs与右侧原始SPPs的总相位差φ为反射造成的相位变化π加上在金属表面传播所累积的相位，即φ＝π+2k_SPPsd，其中k_spp＝2π/λ_spp为所激发的SPPs波矢，λ_spp为SPPs波长。

步骤2)中，调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，具体为：基于干涉原理，通过调节反射光栅中心与原始结构左侧纳米孔阵列中心的距离d，反射至右侧的SPPs能与原始激发的右侧SPPs发生相长(消)干涉；通过仿真软件验证由计算得出的发生相长、相消干涉时的距离d；选择相长干涉时的距离d，改变入射光的偏振态，实现新超表面同时具有定向耦合和相位调节的能力。

步骤3)中将单个光栅扩展至反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控，具体为：依据反射光栅对SPPs的反射在等离子带隙的低边缘处呈现最大值，引入带有周期的反射光栅阵列以达到更高效率的SPPs耦合，分别计算设置周期为P的两个与三个光栅得到的SPPs强度曲线，并验证相位调节能力。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用了在光源设置在超表面下方的背部照明方式，不完全刻蚀的反射光栅结构，避免了对原有结构激发的SPPs的干扰；

2.利用光栅对沿表面传播的SPPs的反射作用同时结合相长干涉原理，实现SPPs的定向传播和耦合增强。

3.本发明结合SPPs传播特性，将单一反射光栅扩展至带周期的反射光栅，进一步提高SPPs的激发效率且不影响超表面原有的相位调节能力。

附图说明

图1为原始结构示意图；

图2为原始结构激发的SPPs电场强度及相位分布示意图；

图3A为本发明中的超表面结构俯视图；

图3B为本发明中的超表面结构截面图；

图4A为发生相长与相消干涉以及无反射光栅所激发的SPPs强度对比图；

图4B为发生相长干涉的条件下，超表面依旧具有相位调节能力；

图5A为反射光栅数量分别为1、2和3时的SPPs强度对比图；

图5B为当反射光栅数量为2时保持相位调节能力曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，包括以下步骤：

1)在一种已有SPPs相位调节超表面原始结构的左侧刻蚀单个反射光栅，将左侧由原始结构激发的SPPs反射至右侧，其中反射光栅的刻蚀方式为不完全刻蚀，光源设置在整个超表面下方，即背部照明方式；

2)调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，提高激发效率；

3)将单个反射光栅扩展至多个即形成反射光栅阵列(在设置一个反射光栅的基础上，设计了以300nm为周期的反射光栅阵列，也就是同时设置两个以上的反射光栅以达到更好的效果)，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控。

在执行步骤1)之前，需要利用现有仿真软件(例如COMSOL Multiphysics，FDTDSolutions等)，对原有结构的相位调节能力进行验证。

本实施例中，利用仿真软件验证原始结构的相位调节能力，厚度为200nm的金膜放置在200nm厚的SiO₂基板上，刻蚀的纳米孔长宽比为200nm：50nm，纳米孔横纵向间距均为300nm，两列纳米孔倾斜角度分别为45°和145°；入射光波长选取633nm，k_spp约为600nm。

步骤1)中，为了避免反射光栅也会激发SPPs造成干扰，采用金膜背部照明方式，反射光栅仅刻蚀一定深度，不完全透过金膜的结构，如图3A、3B所示，图中h，w分别为为反射光栅的高度和宽度，P为反射光栅周期，d，s为反射光栅中心分别与左右两列纳米孔中心的距离。利用仿真软件，选择合适的反射光栅的宽度和深度。通过采用背部照明和不完全刻蚀的反射光栅的方法，实现将由一种已有SPPs相位调节超表面原始结构激发的左侧SPPs反射至右侧，具体为：利用背部照明方式和不完全刻蚀的反射光栅(光栅高度刻蚀至超表面中金膜厚度的一半)，有效的避免完全刻蚀的反射光栅会同时激发SPPs造成干扰；当反射光栅中心与原始结构左侧纳米孔阵列中心相距为d时，反射SPPs与右侧原始SPPs的总相位差φ为反射造成的相位变化π加上在金属表面传播所累积的相位，即φ＝π+2k_SPPsd，其中k_spp＝2π/λ_spp为所激发的SPPs波矢，λ_spp为SPPs波长。

本实施例中，为了避免完全刻蚀的反射光栅会同时激发SPPs造成干扰，光栅高度h设置为金膜高度一半即h＝100nm并将光源设置在金膜底部，经过多次仿真，光栅宽度w设定为160nm。

步骤2)中，调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，具体为：基于干涉原理，通过调节反射光栅中心与原始结构左侧纳米孔阵列中心的距离d，反射至右侧的SPPs能与原始激发的右侧SPPs发生相长(消)干涉；通过仿真软件验证由计算得出的发生相长干涉、相消干涉时的距离d；选择相长干涉时的距离d，改变入射光的偏振态，实现新超表面同时具有定向耦合和相位调节的能力。当总相位差φ等于π的奇数倍和偶数倍时，反射SPPs将会和左侧纳米孔阵列分别发生相消干涉和相长干涉。

本实施例中，令φ＝3π和4π时，d＝300nm和450nm，此时的分别发生相消干涉和相长干涉，(如图4A所示)。反射光栅与右侧纳米孔的距离s为750nm，反射SPPs与右侧纳米孔激发的SPPs的相位差为6π，也发生相长干涉，在发生相长干涉的情况下，左侧SPPs强度降低，右侧SPPs强度提高大约19％。同时反射光栅的反射作用不受激发的SPPs初始相位的影响，所以改变入射光的偏振态不会对反射光栅的反射作用以及右侧产生的干涉造成影响，即刻蚀反射光栅不会影响结构原有的相位调节能力，(如图4B所示)。

步骤3)中将单个光栅扩展至反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控，具体为：依据反射光栅对SPPs的反射在等离子带隙的低边缘处呈现最大值，引入带有周期的反射光栅阵列以达到更高效率的SPPs耦合，分别计算设置周期为P的两个与三个光栅得到的SPPs强度曲线，并验证相位调节能力。

本实施例中，为了进一步提高SPPs的激发效率，依据周期性反射光栅对SPPs的反射在等离子带隙的低边缘处呈现最大值，并且这些边缘的周期可以通过将用于平坦金属表面的SPPs的色散关系折叠到第一布里渊区中来得到。所以当反射光栅的周期P满足k_SPPsP＝mπ,m＝1,2,...时，能将左侧SPPs更多的反射至右侧以提高右侧SPPs的激发效率。当m＝1，最小周期P＝300nm时，验证了反射光栅数量分别为2和3的情况，当反射光栅数量为2时，激发效率进一步提高至38％，；反射光栅数量为3时，由于原始结构的耦合效率的限制，反射光栅的提高作用已不明显，实际应用可按实际情况适当同步增加周期性原始结构和反射光栅数量，如图5A所示。在周期性反射光栅作用下，新型超表面依旧保持相位调节能力，如图5B所示。

Claims (4)

1.一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，用于表面等离激元结构光照明超分辨显微成像中，其特征在于包括以下步骤：

1)在一种已有SPPs相位调节超表面原始结构的左侧刻蚀单个反射光栅，将左侧由原始结构激发的SPPs反射至右侧，其中反射光栅的刻蚀方式为不完全刻蚀，光源设置在整个超表面下方，即背部照明方式；

2)调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，提高激发效率；

3)将单个反射光栅扩展至多个即形成反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控。

2.根据权利要求1所述的表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，其特征在于步骤1)中，通过采用背部照明和不完全刻蚀的反射光栅的方法，实现将由一种已有SPPs相位调节超表面原始结构激发的左侧SPPs反射至右侧，具体为：利用背部照明方式和不完全刻蚀的反射光栅，避免完全刻蚀的反射光栅会同时激发SPPs造成干扰；当反射光栅中心与原始结构左侧纳米孔阵列中心相距为d时，反射SPPs与右侧原始SPPs的总相位差φ为反射造成的相位变化π加上在金属表面传播所累积的相位，即φ＝π+2k_SPPsd，其中k_spp＝2π/λ_spp为所激发的SPPs波矢，λ_spp为SPPs波长。

3.根据权利要求1所述的表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，其特征在于步骤2)中，调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，具体为：基于干涉原理，通过调节反射光栅中心与原始结构左侧纳米孔阵列中心的距离d，反射至右侧的SPPs能与原始激发的右侧SPPs发生相长(消)干涉；通过仿真软件验证由计算得出的发生相长、相消干涉时的距离d；选择相长干涉时的距离d，改变入射光的偏振态，实现新超表面同时具有定向耦合和相位调节的能力。

4.根据权利要求1所述的表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，其特征在于步骤3)中将单个光栅扩展至反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控，具体为：依据反射光栅对SPPs的反射在等离子带隙的低边缘处呈现最大值，引入带有周期的反射光栅阵列以达到更高效率的SPPs耦合，分别计算设置周期为P的两个与三个光栅得到的SPPs强度曲线，并验证相位调节能力。

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