CN1752832A - 基于金属纳米缝的光束控制方法 - Google Patents

Abstract

基于金属纳米缝的光束控制方法，根据所需功能器件(聚焦、偏光、发散等)出射光场的要求，计算元件出射面各点的位相分布φ_i (x_i)；以金属银作为金属膜材料，确定入射波长在银膜中趋肤深度；以加工能力对应的最小线宽ω_i作为出射面位相最大值处的金属缝开孔，以该线宽对应的最大加工深度作为金属膜厚度d，以金属膜厚度d和出射光场位相分布为基础，计算出射光场各点模式传播常数β_i (x_i)；逐次计算出射面其他各点处的金属缝开孔大小ω_i (x_i)最后以位相最大值处为出发点，趋肤深度为金属缝间距，计算相邻缝的缝宽。本发明能够实现偏折、分光、聚焦等功能的，且可在出射面实现任意位相分布。

Description

基于金属纳米缝的光束控制方法

技术领域

本发明涉及一种通过调节金属微纳米缝结构参数(缝宽)对输入光波进行调制，实现各种电磁波(光波)功能器件(偏折、聚焦、分光)的基于金属纳米缝的光束控制方法。

背景技术

纳米尺度的金属微结构有着非常奇异的光学性质，这已经为近几年的大量研究结果所证实。对于这些奇异的光学现象，人们普遍认为光与金属微结构作用所产生的表面等离子体激元在其中起着重要作用，并且各国的研究人员已经对能突破衍射极限的表面等离子体激元器件进行了初步研究。

现有的已发表的各种文献(L.Martin-moreno，Phys.Rev.Lett.90，167401(2003)，F.J Garcia-Vidal，Phys.Rev.Lett.90，213901(2003))涉及在金属膜上制作一定深度的凹槽(凹孔)状周期结构，通过改变凹槽(凹孔)的数量和周期，使光在远场以一定能量和很小的发散角进行传播。但存在的问题是：(1)出射光在近场能量不集中，传播过程中的不连续性限制了这种现象在器件中的应用；(2)尚缺少作为重要传播特征的角度调制的自由度，使其偏折、分光、聚焦等功能很难实现。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够实现偏折、分光、聚焦等功能的，且可在出射面实现任意位相分布，能量利用率高的基于金属纳米缝的光束控制方法。

本发明的技术解决方案是：基于金属纳米缝的光束控制方法，其特征在于通过以下步骤完成：

(1)根据所需功能器件(聚焦、偏折、分光等)出射光场的要求，计算元件出射面各点的位相分布φ_i(x_i)；

(2)以金属银作为金属膜材料，根据公式(1)确定入射波长在银膜中趋肤深度

$x_p=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{{{\mathrm{\ϵ}}_1}^2}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

其中，ε₁为金属银的介电常数实部，ε₂为介质的介电常数，λ为入射光波长；

(3)以加工能力对应的最小线宽ω_i作为出射面位相最大值处的金属缝开孔，以该线宽对应的最大加工深度作为金属膜厚度d，以金属膜厚度d和出射光场位相分布为基础，根据公式(2)计算出射光场各点模式传播常数β_i(x_i)

${\mathrm{\β}}_i\left(x_i\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}_i\left(x_i\right)}{d}---\left(2\right)$

(4)依据公式(3)，逐次计算出射面其他各点处的金属缝开孔大小ω_i(X_i)

$\tanh (\sqrt{b_i{\left(x_i\right)}^2-{{k_0}^{2}e}_d}{w}_i\left(x_i\right)/2)=\frac{-e_d\sqrt{b_i{\left(x_i\right)}^2-{k_0}^2{e}_m}}{e_m\sqrt{b_i{\left(x_i\right)}^2-{k_0}^2{e}_d}}---\left(3\right)$

b_i为模式传播常数，k₀为入射波在真空中的波矢，w_i为不同位置金属缝宽，e_m与e_d为基底与金属银的材料参数；

(5)以位相最大值处为出发点，趋肤深度为金属缝间距，取满足条件公式(4)的点构成微纳功能结构图形的相邻点

$x_j=x_i+\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_i+\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_j+x_p---\left(4\right)$

x_i与x_j分别为微结构相邻缝中心的位置坐标，x_p为银趋肤深度，w_i与w_j分别为相邻缝的缝宽。

本发明的原理是：从单独金属缝中的表面等离子体激元传输规律，发现不同宽度的狭缝中表面等离子体波的传输模式不同，不同的传输模式将导致了电磁波在不同缝中传播常数产生差异，而传播常数的差异必将引起金属缝出口处位相的差异，从而可以利用不同宽度的狭缝来对狭缝出口光波的位相进行调制，通过调节不同狭缝的缝宽和金属膜层厚度(缝深)可实现出射口处位相调制，进而实现对出射光场的调制。

本发明与现有技术相比有以下优点：

(1)每个狭缝出口处的位相可以单独控制，因而可在出射面实现任意位相分布；

(2)整个元件制作在金属薄膜上，便于小型化和集成化；

(3)本发明方法制作出的元件有异常透射效应，能量利用率高。

附图说明

图1为本发明的实施例1微纳功能元件结构剖面图，其中1为基底材料，基底可以为非金属也可以为金属，2为基底表面金属层，3为宽度不等的一系列空气孔；

图2为本发明的实施例1微纳功能元件结构俯视图，其中2为基底表面金属层，3为宽度不等的一系列空气孔；

图3为本发明实施例1中平面波通过图1所示金属结构后，在离出射面0.8微米(焦平面)处的能量分布，其中横坐标为位置矢量，每格0.5微米，纵坐标为归一化能量分布，每格为0.1；

图4为本发明实施例2微纳功能元件结构剖面图，其中1为基底材料，基底可以为非金属也可以为金属，2为基底表面金属层，3为由空气孔；

图5为本发明实施例2微纳功能元件结构俯视图，2为基底表面金属层，3为宽度不等的一系列空气孔；

图6为本发明实施例2中平面波垂直于图4所示金属结构入射后，在出射面后方得到的能量分布，其中4为入射光650nm，5为微结构元件，6为出射光场能量分布。

具体实施方式

实施例1是通过本发明方法实现平面波的长焦深、亚微米级焦斑聚光效果，其实施过程如下：

①本实施例需要采用微纳结构实现平面光波的长焦深、亚微米级焦斑聚焦效果。根据元件的长焦深效果，首先通过传统衍射理论计算得到元件光场出射面位相分布φ_i(x_i)，φ_i(x_i)，对于聚焦结构，若所需的焦距为f，则距中心位置为x_i处的位相为：

${\mathrm{\φ}}_i\left(x_i\right)=2\mathrm{n\π}+\frac{2\mathrm{\πf}}{\mathrm{\λ}}-\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{f^2+{x_i}^2}}{\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

式中n为正整数，λ为入射光波长；

②选择Ag作为金属材料，根据公式(2)可算出银的趋肤深度为24nm；

③设备可加工最小线宽为50nm，该线宽可加工的最大深度为100nm，因此取宽50nm，深100nm的金属缝作为最大位相处的金属缝结构参数，并选择100nm作为金属银的厚度，在石英基底表面蒸镀100纳米金属银；

④以宽50nm，深100nm的金属缝结构对应位相为最大位相，根据公式(2)、(3)，分别计算出其它位置处相对应的缝宽(即求出位置与缝宽函数关系)；

⑤从计算出的位置-宽度函数曲线中选择满足公式(4)的系列点作为器件的最终结构参数，并进行加工制作。

图1为该聚焦结构的剖面图，图2为该聚焦结构的俯视图，图3为该结构在设计焦点(0.8微米)处得到的能量分布，从上述各图中可看出，入射光场在焦点(0.8微米)处得到了很好的聚焦。

实施例2是通过本发明方法实现转折光波的转折，其实施过程如下：

①本实施例需要采用微纳结构实现平面光波的偏折效果。首先根据元件的长焦深效果，通过传统衍射理论计算得到元件光场出射面位相分布φ_i(x_i)；

②选择Ag作为金属材料，根据公式(2)可算出银的趋肤深度为24nm；

③设备可加工最小线宽为50nm，该线宽可加工的最大深度为100nm，因此取宽50nm，深100nm的金属缝作为最大位相处的金属缝结构参数，并选择100nm作为金属银的厚度，在石英基底表面蒸镀100纳米金属银；

④以宽50nm，深100nm的金属缝结构对应位相为最大位相，根据公式(2)、(3)，分别计算出其它位置处相对应的缝宽(即求出位置与缝宽函数关系)；

⑤从计算出的位置-缝宽度函数曲线中选择满足公式(4)的系列点作为器件的最终结构参数，并进行加工制作。

图4为该光场偏折结构的剖面图，图5为该光场偏折结构的俯视图，图6为光场通过该结构后的能量分布，从上述各图的能量分布可以看出：入射光场得到了偏折。

此外，本发明实现的分光功能与上述的聚焦和偏折的实施过程相似。

Claims (1)

1、基于金属纳米缝的光束控制方法，其特征在于通过以下步骤完成：

(1)根据所需功能器件出射光场的要求，计算元件出射面各点的位相分布φ_i(x_i)；

(2)以金属银作为金属膜材料，根据公式(1)确定入射波长在银膜中趋肤深度

$x_p=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{{{\mathrm{\ϵ}}_1}^2}\right)}^{1/2}----\left(1\right)$

其中，ε₁为金属银的介电常数实部，ε₂为介质的介电常数，λ为入射光波长；

(3)以加工能力对应的最小线宽ω_i作为出射面位相最大值处的金属缝开孔，以该线宽对应的最大加工深度作为金属膜厚度d，以金属膜厚度d和出射光场位相分布为基础，根据公式(2)计算出射光场各点模式传播常数β_i(x_i)

${\mathrm{\β}}_i\left(x_i\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}_i\left(x_i\right)}{d}----\left(2\right)$

(4)依据公式(3)，逐次计算出射面其他各点处的金属缝开孔大小ω_i(x_i)

$\tanh (\sqrt{b_i{\left(x_i\right)}^2-{k_0}^2{e}_d}{w}_i\left(x_i\right)/2)=\frac{-e_d\sqrt{b_i{\left(x_i\right)}^2-{k_0}^2{e}_m}}{e_m\sqrt{b_i{\left(x_i\right)}^2-{k_0}^2{e}_d}}----\left(3\right)$

b_i为模式传播常数，k₀为入射波在真空中的波矢，w_i为不同位置金属缝宽，e_m与e_d为基底与金属银的材料参数；

(5)以位相最大值处为出发点，趋肤深度为金属缝间距，取满足条件公式(4)的点构成微纳功能结构图形的相邻点

$x_j=x_i+\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_i+\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_j+x_p---\left(4\right)$

x_i与x_j分别为微结构相邻缝中心的位置坐标，x_p为银趋肤深度，w_i与w_j分别为相邻缝的缝宽。

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