CN207067428U - 一种金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利公开了一种金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜。该径向偏振光长焦距平面透镜是平面金属银薄膜上加工三组同心环狭缝构成；所述金属银厚度为0.64μm，所述三组同心环的环壁与薄膜为非垂直关系，具有一定倾斜角；通过调整同心环狭缝的间距和环壁倾斜角度，提高了径向偏振光的聚焦效率，并增大焦距。该结构材料简单、结构易制备，在光学微操纵、光学微加工等领域有较好的应用前景。

Description

一种金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜

技术领域

本实用新型属于亚波长光子学领域以及集成光学领域，特别涉及一种基于等离激元效应的径向偏振光聚焦透镜。

背景技术

柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布，其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域中，并迅速向亚波长尺度拓展。通常，紧聚焦常采用等离激元透镜，该透镜针对径向偏振光实现聚焦。

表面等离激元能够突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，可以实现纳米尺度的光信息传输与处理，但表面等离激元透镜的焦距往往受到其近场效应的限制。并且，为了更好的控制聚焦的相位要求，一般透镜为非平面透镜，等离激元透镜在一些场合也设计为曲面，这样就给位微加工领域提出要求。Hongyan Shao等人于2016年发表于《Plasmonics》杂志的题为“Plasmonic Planar Lens Based on Slanted Nanolist Array”中提出了一种能够实现线偏振光紧聚焦的平面金属透镜结构，克服了曲面透镜的结构困难，但该透镜的聚焦效果只能针对横磁偏振光入射情况。

因此，本专利将提出一种能够对径向偏振光实现聚焦的平面等离激元透镜，并能够进一步的增加焦距。

发明内容

本实用新型为了克服现有技术的缺陷，提出一种能够对径向偏振光实现长焦距聚焦的平面等离激元透镜。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜，包括：平面金属银薄膜以及薄膜上构建的三组同心环狭缝；所述金属银薄膜厚度为0.64μm，三组同心环狭缝的环壁与薄膜平面为非垂直关系，具有一定倾斜角。

进一步的，同心环狭缝内的介质为空气，狭缝宽度为0.1μm，同心环狭缝出射面间距为1.17μm。

进一步的，同心环狭缝的倾角由内至外分别为56.63°，66.29°和70.90°。

进一步的，平面透镜在632.8nm波长径向偏振光入射下，平面透镜的焦距为2.3μm。

本发明径向偏振光长焦距平面透镜的材料为金属银，于金属银薄膜上构建三组同心环狭缝构成；所述金属银薄膜厚度为0.64μm，三组同心环的环壁与薄膜平面为非垂直关系，具有一定倾斜角。

进一步的，同心环狭缝内为空气，狭缝宽度为0.1μm，同心环狭缝间距为1.17μm，该间距由相邻同心环在出射面处的间距定义。

狭缝宽度远小于入射波长，狭缝中的等离激元模式可以沿着狭缝传播，其传播常数β可以表示如下：

其中，k₀是真空中的波矢，ε_m和ε_d是金属和电场的相对介电常数。

为了使不同狭缝的出口的电磁波汇聚到同一个预设的焦点，电磁波需要在该点进行相长干涉。在这种情况下，聚焦表达式可以结合每个狭缝传播的波的相对相位的延迟来推导出：

其中，f是预设的焦距，Δφ_m是第m个狭缝环的入口和出口的额外相位延迟，Λ为相邻狭缝环的间距，设置为1.17μm，θ_m是第m个狭缝的倾角，H是器件的厚度为0.64μm。

透镜在632.8nm波长径向偏振光入射下，预设焦距为f＝2μm，狭缝的倾斜角能由公式(2)算出，在r-z截面面上，所述同心环狭缝保持出射面间距不变，狭缝环壁倾角由内至外分别为56.63°，66.29°和70.90°，每个狭缝环于入射面的入口相较于出射口远离z轴。该参数下，得到焦场焦距为2.3μm。

本结构将狭缝型二维金属薄膜等离激元透镜进行结构对称性上的优化，实现了对径向偏振光的聚焦。通过对同心环结构参数的调整和优化，获得了聚焦效率高，焦距大的平面金属薄膜等离激元透镜。

本实用新型的有益效果为：本器件达到了聚焦径向偏振光的效果，并且具有较高聚焦效率和较大的焦距。在亚波长光子学领域、集成光学领域等相关领域具有一定的应用价值。

本实用新型所述的技术方案或本领域的技术人员在本实用新型的技术方案的启发下，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的均落入本实用新型的保护范围。

附图说明

图1是金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜顶视图。

图2是金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜纵切面(x‐z平面)示意图。

图3是波长为λ＝632.8nm的径向偏振光聚焦光场分布图。

图4是波长为λ＝632.8nm的径向偏振光聚焦时z轴上光场分布曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，该径向偏振光长焦距平面透镜是平面金属银薄膜上构建三组同心环狭缝构成；金属银薄膜厚度选取为0.64μm，半径为6μm，三组同心环的环壁与薄膜平面为非垂直关系，具有一定倾斜角，见图2。同心环狭缝内为空气，狭缝宽度为0.1μm，同心环狭缝在出射面的间距相同，都为1.17μm，该间距由相邻同心环在出射面处的间距定义。632.8nm入射波长时，银的介电常数为ε_m＝-17.79+0.197i，可根据式(1)计算出β。在x-z截面面上，同心环狭缝保持出射面间距不变，进一步的利用式(2)计算出狭缝环壁倾角由内至外分别为56.63°，66.29°和70.90°，每个狭缝环于入射面的入口相较于出射口远离z轴。该参数下的透镜在632.8nm径向偏振光入射下，将获得2.3μm的焦距见图3和图4。

从透镜的结构图和场分布场可以看出，该透镜确实具有金属薄膜平面透镜的结构特征，并且能够实现径向偏振光的长焦距聚焦，能够实现结构和聚焦特性上的有益效果。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式的限制。凡是依据本实用新型的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型的技术和方法方案的范围内。

Claims (3)

1.一种金属银薄膜径向偏振光长焦距平面透镜，其特征在于包括：平面金属银薄膜以及薄膜上构建的三组同心环狭缝；所述金属银薄膜厚度为0.64μm，三组同心环狭缝的环壁与薄膜平面为非垂直关系，具有一定倾斜角；

所述同心环狭缝内的介质为空气，狭缝宽度为0.1μm，同心环狭缝出射面间距为1.17μm。

2.根据权利要求1所述的平面透镜，其特征在于：所述同心环狭缝的倾角由内至外分别为56.63°，66.29°和70.90°。

3.根据权利要求2所述的平面透镜，其特征在于：所述平面透镜在632.8nm波长径向偏振光入射下，平面透镜的焦距为2.3μm。