CN115453670B - 一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于微纳光子技术领域，为解决基于PB相位设计的超透镜只能聚焦单一的出射分量的问题，提出一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及设计方法，基底上表面沉积的由纳米柱按照固定周期排布的纳米柱阵列，纳米柱阵列的端面沉积一层纳米柱端面金属膜，基底上表面与纳米柱阵列之间的空隙部分沉积一层基底表面金属膜；所述纳米柱上端面为倾斜平面，倾斜平面边界呈椭圆形，不同纳米柱上端面的倾斜平面具有不同的方位角、长轴、短轴、中心厚。纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位，同时通过改变纳米柱的方位角实现反射场中交叉偏振分量不同的相位响应，使得交叉偏振分量也能被聚焦。

Description

一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及其制备方法

技术领域

本申请属于微纳光子技术领域，具体涉及一种双聚焦超透镜及制备方法。

背景技术

透镜作为一种常见的光学元件，在各个方面都有着广泛的应用。但传统透镜由于较大的体积和质量以及功能的单调性限制了其在集成光学，高分辨成像等方面的应用。近年来，一种一种利用纳米结构对光线进行聚焦的超透镜可以通过在微纳尺度调整谐振单元的材料、形状及大小等参数灵活地控制不同入射光(振幅、相位及偏振等)的出射特性，从而能够按照不同的需求自由设计其波前来实现不同的功能。

对于线偏振入射光，可以通过调控共振单元的大小、形状等参数实现光波的波前整形。Aieta等人提出一种亚波长V型金属共振天线，通过调整V型结构的臂长，宽度，夹角和厚度，产生对入射光波的全相位(0-2π)调制。他们分别根据该方法设计了1550nm波长下的聚焦和轴锥透镜，从而在通信波长处分别产生球面波前和非衍射贝塞尔光束。然而该超透镜的制作加工复杂且效率不高。

Lu等人提出了一种基于等离子体反射阵列超表面的平面光学透镜，该透镜由双曲型铝(Al)纳米天线阵列组成，该阵列通过SiO2间隔层与铝(Al)基底分离。在超透镜表面上合理排布不同宽度的Al纳米天线使其符合表面处双曲型反射相位分布，该超透镜能够在可见光波段内(400-700nm)聚焦。

圆偏振光入射下，PB相位可以通过旋转结构的取向角来实现，且该相位大小是方位角的2倍。Capasso课题组基于PB相位的原理利用二氧化钛介质柱设计并制造了高深宽比，数值孔径NA＝0.8的超透镜。

何存等人基于亚波长螺旋表面，提出了工作在3-5μm波段的圆二色手性超透镜，简单地利用超表面单元的旋转就实现了相位的调控。不同旋向的圆偏振入射下，该手性超透镜呈现较好的圆二向色性。但该超透镜的效率不高。

王晨乾等人基于单螺旋手性超透镜效率不高的问题，设计并提出了一种利用嵌套双螺旋表面的高效手性超透镜，该手性超透镜单元将一个传统的螺旋表面分成两个独立的嵌套表面，当两个嵌套螺旋面的相对方向扭曲一定角度时，交叉圆偏振的转换效率可以显著提高一个数量级(从4.5％到45％)。

双焦点乃至多焦点超透镜的提出进一步拓展了超透镜在多成像系统、光通信、光学数据存储等方面的应用。Tian等人将传播相位和PB相位结合，通过选择具有一定取向角的长方体TiO2介质柱建立了整个双聚焦超透镜，该超透镜可实现RCP和LCP的分别聚焦。

Lin等人设计了一种基于双层TiO2椭圆纳米鳍的双聚焦超透镜，分别利用上层椭圆纳米鳍的方位角和上、下层之间的相对方位角实现了RCP和LCP的别聚焦。但双层的结构导致加工难度的提升，因此该方法仅仅停留在理论设计阶段。

Yao等人利用空间复用技术，将硅光栅结构沿着透镜的半径排列成一个个同心圆环，从而把整个超透镜分成两种区域，每种区域只在一种旋向的圆偏振光入射下才会工作，实现了入射正交圆偏振光的分别聚焦。但这种分区域的方法是建立在牺牲器件效率的基础上的，当只有一种区域起作用时，另一区域的出射光会作为背景噪声。

以往的超透镜设计中，聚焦的仅仅是出射光场中的某一个分量，比如，在利用共振相位进行设计时，聚焦的是出射光中与入射光同偏振的分量，而在利用PB相位对圆偏振光进行设计时，聚焦的是与入射光正交的交叉偏振分量，当一种分量被聚焦时，不可避免地会造成另一种分量的浪费。而多焦点偏振相关超透镜的制作工艺都比较复杂，通常包括电子束光刻(EBL)、蒸发和干法蚀刻，并且他们纳米结构单元的几何尺寸和方位角随着相分布而变化，但高度都是固定的。

发明内容

为解决以往的超透镜设计中，聚焦的仅仅是出射光场中的某一个分量问题，采取如下技术方案：

一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，包括基底，基底上表面沉积的由纳米柱按照固定周期排布的纳米柱阵列，纳米柱阵列的端面沉积一层纳米柱端面金属膜，基底上表面与纳米柱阵列之间的空隙部分沉积一层基底表面金属膜；所述纳米柱上端面为倾斜平面，倾斜平面边界呈椭圆形，不同纳米柱上端面的倾斜平面具有不同的方位角、长轴、短轴、中心厚；

入射光入射至所述纳米柱阵列，纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位，同向偏振分量在第一焦点处；

经纳米柱阵列反射后反射场的交叉偏振分量聚焦在第二焦点处。

在上述方案基础上，进一步地：

所述基底上表面的几何中心处为笛卡尔坐标系的原点，基底上表面的外法线方向为Z轴正方向，入射光入射至所述纳米柱阵列，纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位，同向偏振分量在第一焦点处，记为(-x'，0，F)；

经纳米柱阵列反射后反射场的交叉偏振分量聚焦在第二焦点处，记为(x'，0，F)；

其中F为第一焦点或第二焦点距离基底上表面的垂直距离，x'为第一焦点或第二焦点在笛卡尔坐标系X轴的横坐标；

第一焦点与第二焦点之间的距离为d，

交叉偏振分量焦点的离轴角度为α；

同向偏振分量的相位分布满足：

交叉偏振分量聚焦的相位分布需要满足：

其中，λ表示入射光的波长，Φ(0,0)表示原点处的相位，x、y分别表示笛卡尔坐标系中纳米柱上端面的倾斜平面上任意点在X轴、Y轴的坐标；

在式中是入射光经过纳米柱的倾斜平面后的同向偏振分量相位，/>是结构方位角θ＝0时，交叉偏振分量聚焦的基础相位，θ是方位角。

优选地：所述纳米柱的材质为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，纳米柱端面金属膜与基底表面金属膜材质与厚度均相同。

纳米柱阵列的周期小于入射光波长，优选为1000nm，在避免高级衍射的同时又易于制备。

纳米柱阵列由各向异性的PMMA纳米柱组成，纳米柱阵列的周期为1000nm。

基底材质为SiO₂，纳米柱端面金属膜与基底表面金属膜厚度为100nm，材质为Au。

该反射式正交圆偏振双聚焦超透镜中，纳米柱材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，下层为玻璃基底，纳米柱的顶端和底部周围镀有厚度一致的金膜。纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位。此共振相位依赖于椭圆纳米柱的尺寸，基底表面金属膜充当背景反射层，有效地提高反射率。在此结构中，引入了纳米柱的高度参数作为新的自由度使得全相位响应(0-2π)调控和高反射效率的同时实现成为可能。同时通过改变纳米柱的方位角实现反射场中交叉偏振分量不同的相位响应(PB相位)，使得交叉偏振分量也能被聚焦。

本申请还提出一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜的制备方法，包括以下步骤：

S1.计算同向偏振分量聚焦及交叉偏振分量聚焦所需的相位分布；

S2.筛选出总反射率大于0.7的结构，再根据同向偏振分量的相位分布计算每一点处满足相位要求的结构；

S3.再计算纳米柱上端面的倾斜平面的方位角；

S4.利用激光直写技术在基底表面加工纳米柱阵列，再利用电子束蒸镀技术均匀地镀上一层金属膜。

有益效果

采用调控自由度更高的三维尺寸可变的纳米柱阵列结构实现入射圆偏振光的两个正交出射分量同时聚焦。该双聚焦超透镜的加工工艺较为简单。首先，通过3D激光直写技术在玻璃基底上制备出(PMMA)纳米柱阵列，然后通过电子束蒸发镀膜在整个结构表面镀上一层100nm的金膜，这套工艺避免了蚀刻过程。同时所设计的纳米柱阵列引入了高度的变化，为光的操纵提供了新的自由度，同时实现了高反射效率、全相位和正交双偏振调控。该双聚焦超透镜的光学分辨率接近衍射极限。

附图说明

图1：一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜结构示意图；

图2：反射式正交圆偏振双聚焦超透镜单元的示意图；

图3：反射式正交圆偏振双聚焦超透镜功能示意图；

图4：正交圆偏振双聚焦超透镜双聚焦原理示意图；

图5：一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜制备方法流程示意图；

图6：正交圆偏振双聚焦超透镜模型图；

图7：正交圆偏振双聚焦超透镜实际样品的显微镜测试图；

图8：正交圆偏振双聚焦超透镜实际样品的局部斜视SEM图；

图9：正交圆偏振双聚焦超透镜实际样品的局部俯视SEM图；

图10：RCP入射下正交圆偏振双聚焦超透镜实际样品的聚焦测试图；

图11：LCP入射下正交圆偏振双聚焦超透镜实际样品的聚焦测试图；

其中：1为纳米柱端面金属膜，3为基底表面金属膜，2为纳米柱，4为基底。

具体实施方式

一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，如图1及图2所示，包括基底4，基底上表面沉积的由纳米柱2按照固定周期排布的纳米柱阵列，纳米柱阵列的端面沉积一层纳米柱端面金属膜1，基底上表面与纳米柱阵列之间的空隙部分沉积一层基底表面金属膜3；所述纳米柱上端面为倾斜平面，倾斜平面边界呈椭圆形，不同纳米柱上端面的倾斜平面具有不同的方位角θ，长轴(L1)、短轴(L2)、中心厚(H1)。

如图3所示，基底上表面的几何中心处为笛卡尔坐标系的原点，基底上表面的外法线方向为Z轴正方向，右旋圆偏振入射光入射至所述纳米柱阵列，纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位，同向偏振分量(RCP)在第一焦点处，记为(-x'，0，F)；

经纳米柱阵列反射后反射场的交叉偏振分量(LCP)聚焦在第二焦点处，记为(x'，0，F)；

其中F为第一焦点或第二焦点距离基底上表面的垂直距离，x'为第一焦点或第二焦点在笛卡尔坐标系X轴的横坐标；

第一焦点与第二焦点之间的距离为d，

交叉偏振分量焦点的离轴角度为α；

同向偏振分量的相位分布满足：

交叉偏振分量聚焦的相位分布需要满足：

其中，λ表示入射光的波长，Φ(0,0)表示原点处的相位，x、y分别表示笛卡尔坐标系中纳米柱上端面的倾斜平面上任意点在X轴、Y轴的坐标；

在式中是入射光经过纳米柱的倾斜平面后的同向偏振分量相位，/>是结构方位角θ＝0时，交叉偏振分量聚焦的基础相位，θ是方位角。

图4是反射式正交圆偏振双聚焦超透镜工作原理示意图。以右旋圆偏振入射光为例。反射场中，同向偏振分量在(-x'，0，F)处，交叉偏振分量则聚焦在(x'，0，F)，超透镜的设计焦距为F，f为透镜中心到焦点的距离，α为交叉偏振分量焦点的离轴角度(两焦点的离轴角度大小相同，符号相反)，d是两个焦点之间的距离。在式(3)和(4)中，是入射光经过纳米柱的倾斜平面后的同向偏振分量相位，只与结构的尺寸有关，与结构的方位角无关，是结构方位角θ＝0时，交叉偏振分量的基础相位，交叉偏振分量额外携带的PB相位。因此，双分量聚焦超透镜的设计原理就是，首先根据式(3)中同向偏振分量的相位分布在反射式正交圆偏振双聚焦超透镜每一点处选择满足相位要求的结构，再根据式(4)，将选定的结构方位角度θ，最终，完整的正交圆偏振双聚焦超透镜就可以获得。

作为一个应用实例：

基底上的纳米柱阵列包括201×201个米柱，纳米柱阵列的周期为1000nm，纳米柱阵列由各向异性的PMMA纳米柱组成；纳米柱端面金属膜与基底表面金属膜材质为Au，厚度为100nm，基底材质为SiO₂，50nm≤L2≤L1≤900nm，500nm≤H1≤1300nm，其中入射光波长λ为1550nm，两个焦点的离轴角度为±28°，焦距F＝1.61mm，孔径D＝201μm，然后通过电子束蒸镀将金属膜镀在纳米柱端面以及基底上表面与纳米柱阵列之间的空隙部分。

制备过程如图5所示，通过3D激光直写光刻技术(Nanoscribe GmbH，PhotonicProfessional)在SiO₂基底上制造出所设计的正交圆偏振双聚焦超透镜结构，然后通过电子束蒸镀将100nm的金层镀在结构上，该工艺避免了刻蚀的过程。

反射式正交圆偏振双聚焦超透镜实际样品的光学显微镜测试图如图7所示。从图7可以看到超透镜整体的轮廓完整，没有倒塌的区域，结构呈现如图6所示的偏离透镜中心的同心圆环摩尔纹，与理论模型的排布一致。

图8是反射式正交圆偏振双聚焦超透镜局部的45°斜视图，可以从中看出明显的高度变化。

图9是反射式正交圆偏振双聚焦超透镜局部的电镜俯视图，从中可以看出纳米柱之间没有大面积的粘连，且单元形状为轮廓清晰的偏方位角度不同的椭圆。

样品制作完成后，搭建实验光路检测样品的聚焦情况。RCP入射光下双聚焦透镜样品的聚焦如图10所示。可以看到两个清晰的焦斑，焦斑的剖面图显示焦点的FWHM为18.2μm，接近理论的衍射极限17.1μm。LCP入射光的聚焦结果如图11所示，由于PB相位和入射光旋向不匹配，因此只有利用共振相位聚焦的同向偏振分量有一个清晰的焦点，且焦点的半高宽与衍射极限接近，此时的消光比为14.1。

综上所述，本申请提出的一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及设计方法，能够利用调控自由度更高且易于制备的三维尺寸可变的纳米柱单套结构实现入射圆偏振光的两个正交出射分量同时聚焦。在此结构中，引入了纳米柱的高度参数作为新的自由度使得全相位响应(0-2π)调控和高反射效率的同时实现成为可能。该双聚焦超透镜的加工工艺较为简单，避免了复杂的蚀刻过程，纳米柱阵列引入了高度的变化，为光的操纵提供了新的自由度，所制备的双聚焦超透镜的光学分辨率接近衍射极限。

Claims (7)

1.一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，包括基底，其特征在于：基底上表面沉积的由纳米柱按照固定周期排布的纳米柱阵列，纳米柱阵列的端面沉积一层纳米柱端面金属膜，基底上表面与纳米柱阵列之间的空隙部分沉积一层基底表面金属膜；所述纳米柱上端面为倾斜平面，倾斜平面边界呈椭圆形，不同纳米柱上端面的倾斜平面具有不同的方位角、长轴、短轴、中心厚；

入射光入射至所述纳米柱阵列，纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位，同向偏振分量在第一焦点处；

经纳米柱阵列反射后反射场的交叉偏振分量聚焦在第二焦点处；

所述基底上表面的几何中心处为笛卡尔坐标系的原点，基底上表面的外法线方向为Z轴正方向，入射光入射至所述纳米柱阵列，纳米柱端面金属膜在入射光的激发下产生表面等离子激元共振，使反射场中的同向偏振分量产生共振相位，同向偏振分量在第一焦点处，记为(-x'，0，F)；

经纳米柱阵列反射后反射场的交叉偏振分量聚焦在第二焦点处，记为(x'，0，F)；

其中F为第一焦点或第二焦点距离基底上表面的垂直距离，x'为第一焦点或第二焦点在笛卡尔坐标系X轴的横坐标；

第一焦点与第二焦点之间的距离为d，

交叉偏振分量焦点的离轴角度为α；

同向偏振分量的相位分布满足：

交叉偏振分量聚焦的相位分布需要满足：

其中，λ表示入射光的波长，Φ(0,0)表示原点处的相位，x、y分别表示笛卡尔坐标系中纳米柱上端面的倾斜平面上任意点在X轴、Y轴的坐标；

在式中是入射光经过纳米柱的倾斜平面后的同向偏振分量相位，/>是结构方位角θ＝0时，交叉偏振分量聚焦的基础相位，θ是方位角。

2.根据权利要求1所述的反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，其特征在于：所述纳米柱阵列的周期小于入射光波长。

3.根据权利要求2所述的反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，其特征在于：纳米柱阵列由各向异性的PMMA纳米柱组成，纳米柱阵列的周期为1000nm。

4.根据权利要求3所述的反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，其特征在于：基底材质为SiO₂，纳米柱端面金属膜与基底表面金属膜厚度为100nm，材质为Au。

5.根据权利要求1所述的反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，其特征在于：所述长轴(L1)、短轴(L2)、中心厚(H1)满足：50nm≤L2≤L1≤900nm，500nm≤H1≤1300nm。

6.根据权利要求1所述的反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，其特征在于：同向偏振分量Φ_Co(x,y)覆盖0-2π全相位。

7.一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜的制备方法，其特征在于：用于制备如权利要求1至6之一所述的反射式正交圆偏振双聚焦超透镜，包括以下步骤：

S1.计算同向偏振分量聚焦及交叉偏振分量聚焦所需的相位分布；

S2.筛选出总反射率大于0.7的结构，再根据同向偏振分量的相位分布计算每一点处满足相位要求的结构；

S3.再计算纳米柱上端面的倾斜平面的方位角；

S4.利用激光直写技术在基底表面加工纳米柱阵列，再利用电子束蒸镀技术均匀地镀上一层金属膜。