CN203705671U - 一种低损耗平面超透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供低损耗平面超透镜，平面超透镜是由交替出现的深色和浅色的多层膜组成，层数在20层到30层之间，深色部分是增益层，浅色部分是金属材料层，增益层材料厚度都为Wg，金属层厚度都为Wm；最顶层为金属层，最底层为增益层。本新型的超透镜的分辨率很高，重量很轻和厚度很薄，并且由于是一个平面结构，很容易集成和利用。

Description

一种低损耗平面超透镜

技术领域

本实用新型涉及光学领域，尤其涉及一种光学透镜。

背景技术

应用领域：需要用到高分辨率，超轻，超薄的平面透镜的领域，尤其是低损耗的平面超透镜的设计方面。

传统的光学显微镜－存在衍射极限，没有办法观察到波长二分之一以下的细节，而且需要用到非常复杂的光学系统，仪器整体体积很大，重量很重。

近场扫描显微镜－虽然突破了衍射极限，但是由于其采用了近场单点扫描的方式，测量速度非常的慢，而且仪器价格非常的昂贵，比较重，另外显微镜台的尺寸也非常不适合便携携带。

普通的基于超材料的超透镜－通过收集近场光线来成像，能突破衍射极限，理论上分辨率可以达到无限小，而且超透镜是很轻、很薄的平面结构，携带方便。但是由于制备过程中使用的金属材料损耗的存在，严重的影响超透镜的分辨能力，使得目前为止最好的分辨率只达到波长的六分之一，继续降低超材料的分辨率需要解决损耗的问题。

一直困扰现在的光学系统。如果能够突破这个极限，光学系统可能具有巨大的潜力，也将在改进聚焦成像、生物传感、光存储及光刻技术等方面都有应用。比如，传统的光学显微镜由于受到衍射极限的限制，使得分辨率最高能够达到200纳米左右，随着生物研究的不断发展和电子电路集成度的不断提高，对更高分辨率的成像技术提出了迫切的要求，传统的光学显微镜的衍射极限已经成为了制约纳米微加工技术进一步发展的瓶颈，相同的情况还出现在生物分子探测以及微纳结构成像方面，所以改进光学系统的分辨能力成为了光学的一个研究重点。然而在实际的情况下，有的技术比如近场扫描显微镜等虽然突破了衍射极限，但是由于其采用了近场单点扫描的方式，测量速度非常的慢，而且仪器价格非常的昂贵，比较重，另外显微镜台的尺寸也非常不适合便携携带，这对为实际的大规模应用来说是非常困难的。

在光学成像领域中一直存在一个基本的障碍，即衍射极限。为了获得更清晰的成像，人们一直在不断的探索各种可能的解决办法。早在半个世纪前，前苏联科学家Veselago在提出负折射率材料的概念时曾预言，利用折射率n=-1的负折射率平板材料能实现亚波长分辨率的成像。2000年，Pendry从理论上指出，采用负折射率材料之所以能够突破衍射极限，设计出超透镜，是因为负折射率材料能够放大倏逝波，当倏逝波入射到位于物体近场区与负折射率材料的表面时，它的振幅会被放大，直到在通过负折射率材料之后，倏逝波的振幅会再次发生指数衰减，并在成像面上恢复到物点位置时倏逝波的振幅，而行波分量则会在负折射率材料中传播、聚焦。倏逝波和行波在成像面上形成完美的、没有精细信息缺失的像。2003年，人们首次在实验上观察到倏逝波在通过银薄膜时振幅呈指数放大的现象，接下来的一系列实验都验证了Pendry提出的超透镜成像理论。2005年，Zhang研究小组利用介电常数为负的纳米尺度的银薄膜成功地实现了365纳米的超分辨率成像，分辨率为λ/6。根据类似的原理，随后人们借助碳化硅材料在中红外波段介电常数为负而且低损耗的特性，制备出具有更高分辨率的超透镜，分辨率达1/20。虽然从理论上来说，平面超透镜成像的分辨极限是可以无穷小的，然而由于所用的金属材料本身存在着吸收损耗，所以目前为止在实验上能获得的最小的分辨率仍然在1/20以内。进一步降低平面超透镜的分辨率极限必须从设计上进行更新，特别是对于可见光波段来说。

实用新型内容

为了同时达到高分辨率、重量较轻和平面结构的目的，针对由于金属损耗的存在从而约束了平面超透镜的分辨率的问题，本实用新型提供了一种低损耗平面超透镜，平面超透镜是由交替出现的深色和浅色的多层膜组成，层数在20层到30层之间，深色部分是增益层，浅色部分是金属材料层，增益层材料厚度都为Wg，金属层厚度都为Wm；最顶层为金属层，最底层为增益层。

作为本实用新型的进一步改进，金属材料层为银层。

作为本实用新型的进一步改进，增益层为有机发光材料层。

作为本实用新型的进一步改进，有机发光材料层为若丹明加Alq3的复合材料层。

作为本实用新型的进一步改进，增益层材料厚度Wg和金属层厚度Wm的单位为nm，数值取值范围为10至50。

本实用新型的有益效果是： 

分辨率高，该结构能够保证在可见光波段，超透镜的分辨率在波长的1/20以下。

工作波长可调，对比于以前的利用单层金属膜制备出来的超透镜，这个超透镜的工作波长可以通过调节金属、增益介质的厚度和折射率来实现可调。

超高分辨率、超轻、超薄的平面结构，相比于传统的光学显微镜和原子力显微镜，这种超透镜的分辨率很高，重量很轻和厚度很薄，并且由于是一个平面结构，很容易集成和利用。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型工作方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

为了同时达到高分辨率、重量较轻和平面结构的目的，针对由于金属损耗的存在从而约束了平面超透镜的分辨率的问题，本实用新型提出了一种低损耗的平面超透镜的新设计，在该设计中，利用发光的增益材料比如染料和量子点等对平面超透镜中的金属损耗进行补偿。利用增益介质补偿超材料体系包括等离子体材料、负折射率材料和超磁材料等的金属损耗已经在理论上开展了很多的研究，展示了在改善超材料性能上的巨大潜力，给超材料领域的研究带来了新的活力。目前为止作为损耗补偿的材料包括染料和量子点等，利用增益介质来降低平面超透镜中的损耗虽然从理论和模拟上来说是非常有效的,然而增益介质的选择和增益介质所处的位置是非常重要,需要对其使用的结构进行细致的设计。因此本实用新型提出了以下的设计：

该结构中，整个平面超透镜是由交替出现的深色和浅色的多层膜组成，层数的多少会决定整个超透镜的透过率，可以根据实际应用的需要进行选择（在20层到30层之间）。深色部分是增益材料，如染料和量子点等，浅色部分是金属材料，通过调节金属和增益介质的厚度Wg和Wm和增益介质的折射率n，使得超透镜工作在目标的波长。

该设计的制备步骤如下：

1.在平整的紫外透明基底上利用真空热蒸镀的办法蒸镀上厚度为Wg的增益层，如有机发光材料（比如若丹明加Alq3的复合材料）。Alq3：三(8-羟基喹啉)铝。

2.在步骤1得到的膜的基础上，利用电子束蒸镀的办法镀上厚度为Wm的金属银膜，采用电子束蒸镀的办法是为了得到损耗最小、表面最平整的银膜。

3.在步骤2得到的平面膜的上面交替镀上周期性的增益层（厚度都为Wg）和金属层（厚度都为Wm）多层膜。

4.最后在表面上再镀上厚度为Wg的增益层作为保护层，防止银在空气中氧化。从而得到工作在可见光波段的低损耗的平面超透镜。

具体隔层厚度的选择可举例如下：当Wg=40nm，Wm=30nm和n=1.62的时候，超透镜的工作波长是在620nm附近，这时候可以选择若丹明系列染料作为增益介质。该透镜的工作方式如图所示，一束外来的激光激活增益介质，在增益介质分子内部形成了粒子束反转，从而放大了垂直入射的工作光束。

该结构有的优势如下：

1.通过设计金属和增益介质的厚度和折射率，能够使得超透镜的工作波长出现可调性，这与传统的单层金属膜组成的超透镜只有唯一的工作波长不同。

2.利用增益介质能够提高超透镜的分辨能力，而且结构又是平面结构，膜的总厚度仅有几百个纳米，能够同时实现高分辨率、超轻、超薄的平面超透镜。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种低损耗平面超透镜，其特征在于：平面超透镜是由交替出现的深色和浅色的多层膜组成，层数在20层到30层之间，深色部分是增益层，浅色部分是金属材料层，增益层材料厚度都为Wg，金属层厚度都为Wm；最顶层为金属层，最底层为增益层；增益层为有机发光材料层。

2.根据权利要求1所述的一种低损耗平面超透镜，其特征在于：金属材料层为银层。

3.根据权利要求1所述的一种低损耗平面超透镜，其特征在于：增益层材料厚度Wg和金属层厚度Wm的单位为nm，数值取值范围为10至50。