一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法及器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学领域，更具体地说，涉及一种实现表面等离激元纵向焦点强度调 控的方法，以及实现表面等离激元纵向焦点强度调控的器件。
【背景技术】
[0002] 表面等离激元SPP(Surface Plasmon Polariton)是一种局域在金属/介质表面的 电磁场表面模式，其特点是电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减;并且以大于 介质中同频率光子的波数沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实 现能量转换。利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控。
[0003] 实现光束的聚焦强度沿纵向（沿传播方向）的调控(如获得纵向多焦点或超长的焦 深)在生物成像、粒子捕获、数据存储、光刻以及激光加工等领域有重要应用。
[0004]传统光学上若要实现聚焦强度的纵向调控，一般需要透镜，以及在入瞳位置设置 光学掩膜板对入射光束的相位和强度进行调制，因此并不利于器件的集成。有时候甚至还 需要径向偏振(radially polarized)或旋向偏振(azimuthally polarized)的入射波前， 这种非均匀偏振的光束一般不能直接从传统的激光器输出，需要额外的偏振调控器件，如 空间光调制器，因此实现起来成本较高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有利于器件的小型化和平面集 成化的表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，以及实现表面等离激元纵向焦点强度调控 的器件。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，在金属表面开设呈像素形状的 若干凹槽，凹槽沿横向分布，并且在纵向方向呈至少一列，形成凹槽阵列；光线从垂直于金 属表面的方向照射凹槽阵列，在金属表面生成纵向分布的表面等离激元焦点；遍历所有凹 槽阵列的组合，检索得到具有特定纵向焦点强度分布的特定凹槽阵列，实现纵向焦点强度 调控。
[0008] 作为优选，以纵向为X轴、横向为y轴、光照方向为z轴建立坐标系，每个凹槽沿X轴 位置的不同，调控激发场沿X轴上的相位分布。
[0009] 作为优选，凹槽的X坐标为:x(k) =kASPP/N，其中，ASpp是表面等离激元的波长，N是 相位阶数，k = 0，l，2，'"，N-l。
[0010] 作为优选，从每个凹槽处激发的表面等离激元具有和其X坐标相关的初相位，只要 每个凹槽被同相激发(光源是平面波或者金属表面位于高斯光束腰的位置），则初相位只和 凹槽的 x坐标有关。
[0011]作为优选，每个凹槽在金属表面上特定的场点位置(Ρ,φ)对表面等离激元电场的贡 献为·?Ε5ΡΡ(^，积分沿y方向遍及整个凹槽；
[0013] 其中，ESPP为表面等离激元点源的电场，A是入射光的振幅，kspJPkz分别为表面等 离激元在金属表面内和沿Z轴方向的波矢，ω是入射光的圆频率，L是表面等离激元电场的 传播长度，Ηι (1)为第一类Hankel函数，i是虚数单位；
[0014] 金属表面上特定的场点位置(?3，φ)的表面等离激元强度为所有表面等离激元点源 的相干叠加;设凹槽的宽为w，长为Ay，并设定iEsppdy与Espp · Ay相等。
[0015] 作为优选，检索特定凹槽阵列的步骤如下：
[0016] 1)赋予每个凹槽一个随机的X坐标，给定初始高温T0，然后计算评价函数f(xl， x2,…），得到值Π ;
[0017] 2)随机选取一个凹槽，随机改变凹槽X坐标x(k)=USPP/N，即k随机取0，1，2，···，Ν- 1之间不同的值，然后重新计算改变后的评价函数值f2;
[0018] 3)如果（△ f = f 2-f 1)〈0，则上述位置改变被接受；否则将exp(- △ f/T)与分布在 (〇，1)区间的一个随机数来比较，如果exp(-A f/T)大，则接受上述位置改变;否则保持位置 不变;然后返回步骤2);其中，T为温度参数，取值在(0，10]区间；
[0019] 4)在初始高温下重复步骤2)和步骤3)P次，使得在此温度下，评价函数达到热平 衡；
[0020] 5)以预设的规则降低温度，在下一个温度下，重复步骤2)至步骤4);
[0021] 6)循环步骤1)至步骤5)，直到当前温度下接受的凹槽改变次数小于1;则此时为最 优的特定凹槽阵列。
[0022] 作为优选，步骤4)中，以T分段，当T>0.1时，P = 250;当0.01〈T〈0.1时，p = 500;当T〈 0.01时，Ρ=1000。从而在计算时间不是太长的情况下保证每一温度下评价函数都可以大体 达到热平衡。
[0023] 作为优选，步骤5)中，降低温度的规则为Τη+ι = αΤη其中，Τη为当前温度，Τη+ι为下一 个温度，α为降温系数，取值在(〇，1)区间。
[0024]作为优选，评价函数f具体为：
[0026] 其中，J是形成焦点的总个数，I」是第j个焦点的光强度，1<^是在焦点I」所在的y方 向直线上，以一定的规则分布的采样点上光强度的总和。
[0027] -种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的器件，在金属表面开设呈像素形状的 若干凹槽，凹槽沿横向分布，并且在纵向方向呈至少一列，形成凹槽阵列；光线从垂直于金 属表面的方向照射凹槽阵列，在金属表面生成纵向分布的表面等离激元焦点；通过所述的 方法，获得具有特定纵向焦点强度分布的特定凹槽阵列。
[0028]本发明的有益效果如下：
[0029]本发明所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法及器件，通过在金属表 面设置凹槽阵列，得到纵向的焦点分布，可实现离散的多个焦点，或者若干焦点连接形成的 光带。并且通过改变凹槽阵列的组合，能够得到不同要求的焦点分布与光强度，实现表面等 离激元纵向焦点强度调控。表面等离激元的独特性质非常适合在金属表面制备微小尺寸的 二维器件，基于表面等离激元来实现光场的纵向强度调控，将非常有利于器件的小型化和 平面化集成。
【附图说明】
[0030]图1是本发明的原理不意图；
[0031 ]图2是凹槽阵列与焦点的光强度的采样示意图；
[0032] 图3是产生两个焦点的最优凹槽阵列示意图；
[0033] 图4是两个焦点附近的二维强度分布示意图；
[0034]图5是产生三个焦点的最优凹槽阵列示意图；
[0035]图6是三个焦点附近的二维强度分布示意图；
[0036] 图7是产生长焦深焦点的最优凹槽阵列示意图；
[0037] 图8是长焦深焦点附近的二维强度分布示意图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
[0039]本发明解决了现有技术对纵向焦点强度进行调控存在的操作复杂、实现成本高等 不足，提供一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，并得到实现表面等离激元纵 向焦点强度调控的器件。如图1所示，在金属表面开设呈像素形状的若干凹槽，凹槽沿横向 分布，并且在纵向方向呈至少一列，形成凹槽阵列;光线从垂直于金属表面的方向照射凹槽 阵列，在金属表面生成纵向分布的表面等离激元焦点;遍历所有凹槽阵列的组合，检索得到 具有特定纵向焦点强度分布的特定凹槽阵列，实现纵向焦点强度调控。
[0040]在入射光束的照射下，凹槽将作为散射源将入射光束的能量耦合成表面等离激元 并在金属界面传播。显然，耦合后的表面等离激元光场的强度分布与凹槽的尺寸和位置有 关。为了实现焦点强度的纵向调控，凹槽阵列的尺寸和排列如图2所示。以纵向为X轴、横向 为y轴、光照方向为z轴建立坐标系，每个凹槽沿X轴位置的不同，调控了激发场沿X轴上的初 相位分布。设凹槽的宽为W，长为Δ y，则凹槽的X坐标为:x = kASPp/N，其中，ASpp是表面等离激 元的波长，N是相位阶数，k = 0，1，2，…，N-1。例如，N = 2时凹槽的y坐标只能是0和-ASpp/2，对 应的初相位为〇和h当N = 3时，X坐标只能是0，-λ5ΡΡ/3和-2λ5ΡΡ/3,初相位分别为0,2jt/3和4 V3。其中，N越大代表相位调控的精度越高，但是器件结构也越复杂。当沿X方向偏振的入射 光垂直(沿-z方向）照射到金属表面上时，从每个凹槽处激发的表面等离激元具有和其X坐 标相关的初相位。
[0041 ]每个像素结构的凹槽在金属表面(z = 0)上特定的场点位置对表面等离激元 电场的贡献为?ΕΒΡΡ?Ιγ;这里积分沿y方向遍及整个凹槽。由如下表达式给出；
[0043]其中，ESPP为表面等离激元点源的电场，A是入射光的振幅，ksPdPk z分别为表面等 离激元在金属表面内和沿Z轴方向的波矢，ω是入射光的圆频率，L是表面等离激元电场的 传播长度，Ηι(1)为第一类Hankel函数，i是虚数单位。
[0044] 金属表面上特定的场点位置(ρ,φ)的表面等离激元强度为所有表面等离激元点源 在考虑了它们的振幅和相位后的相干叠加。因此，当给定一凹槽阵列的分布后，就能给出金 膜上任一点的表面等离激元场强。实际上当Δ y很小时，可设定jEsppdy与Espp · Δ y相等。即 认为凹槽阵列中，每个表面等离激元点源产生的场强是相等的。在该设定下，精度足够且计 算速度远快于积分，为后面引入数值算法做结构优化提供了可能性。
[0045] 对于长度为U的表面等离激元器件，一共包含了 Μ=Ι^/Ay个像素结构的凹槽，记 第i个凹槽(i = l，2,…M)的X坐标为xi = kXSPP/N，其中，k = 0,1，…，N-1。从而一共种NM不同的 凹槽阵列组合，从而可以产生心种不同的结构。为了从这N M种结构中的选出想要的具有特定 纵向强度分布的凹槽阵列，需要对这N种不同的结构进行检索，得到全局最优解，本发明采 用如下来求解最优的凹槽阵列，步骤如下：
[0046] 1)赋予每个凹槽一个随机的X坐标，给定初始高温Τ = Τ0(如T0 =