10)，然后计算评 价函数f (xl，χ2,…），得到值Π ;其中，f的函数形式由想要得到的目标纵向强度分布来决 定；
[0047] 2)随机选取一个凹槽，随机改变凹槽1坐标11 = 1^5[^/^，8卟随机取0，1，2，~，^1 之间不同的值，然后重新计算改变后的评价函数值f2;
[0048] 3)如果（Δ f = f 2-f 1)〈0，则上述位置改变被接受；否则将exp(- Δ 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；
[0049] 4)在初始高温T = TO = 10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；本实施例中，以T分段，当T>0.1时，P = 250;当0.01〈T1〈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;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；
[0050] 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);降低温度的规 则为Τη+1 = αΤη，其中，Τη为当前温度，1"+1为下一个温度，α为降温系数，取值在(0，1)区间；本 实施例中，α = 0.9;
[0051] 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。
[0052]本发明中，评价函数f具体为：
[0054] 其中，J是形成焦点的总个数，I」是第j个焦点的光强度，IQj是在焦点I」所在位置沿 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。
[0055] 本发明还提供一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 线从垂直于金属的方向照射凹槽阵列，生成纵向分布的焦点;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。
[0056]如下以产生两个、三个焦点，以及长焦深焦点为例：
[0057] 1、产生轴向两个焦点
[0058] 对于波长人娜=813.5]11]1的表面等离激元，在(1=1]^111，7 = 0)和(1=18以111，7 = 0)处 产生两个等强度焦点。为此，取&7 = 300]1111，'\￥ =人娜/2 = 406.751111^=2，]\1=80，因此1^ = 24 μπι，器件结构上下对称。f的函数形式取：
，I#PI2分别是焦点处的光强 度，Ιο?和1〇2分别是在χ=11μηι和Χ=18μηι两条直线上，从y = _18ym到18μηι，以间隔Δ S = 600nm分布的所有采样点上光强度的总和，如图2所示。为了使得到的焦点强度尽量相等，取 30次优化后最好的结果，最优凹槽阵列如图3所示，焦点附近二维强度分布如图4所示。 [0059] 2、产生轴向三个焦点
[0060] 对于波长ASPp = 813 · 5nm的表面等离激元，在(x = 8ym，y = 0)、（x = 13ym，y = 0)和(X =18ym，y = 0)处产生三个等强度焦点。为此，取 Δ y = 300nm，w = XSpp/2 = 406 · 75nm，N = 2，M =80，因此Li = 24μηι，器件结构上下对称。f的函数形式取：
12和13分别是焦点处的光强度，IQ1、I〇2和1〇 3分别是在χ = 8μπι、13μπι和18μπι三条直线上，从y = -18μηι到18μηι，以间隔Δ s = 600nm分布的所有采样点上光强度的总和。为了使得到的焦点 强度尽量相等，取30次优化后最好的结果，最优凹槽阵列如图5所示，焦点附近二维强度分 布如图6所示。
[0061] 3、产生轴向长焦深焦点
[0062]对于波长ASPP = 813.5nm的表面等离激元，产生一个超长焦深的焦点。为此，取Ay = 300nm，N = 4，M=80,因此Li = 16ym，器件结构上下对称。f的函数形式取：
11,1?,分别是在y = 〇Μ上，从X = 15，18，…，42μηι (以3μηι为间隔)排列的 10个焦点强度。Ιο?，1〇2,…，Ιιο分别是在χ= 15μηι，18μηι，- -42411110条直线上，从y = _18ym到 18 μπι，以间隔△ s = 600nm分布的所有采样点上光强度的总和。取100次优化后取焦点X方向半 高全宽最大的结果，最优凹槽阵列如图7所示，焦点附近二维强度分布如图8所示，其半高全 宽达到24λ 5ΡΡ，约为20微米。
[0063]上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发 明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，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。2. 根据权利要求1所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，W 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轴方向位置的不同，调控 激发场沿X轴上的初相位分布。3. 根据权利要求2所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，凹 槽的X坐标为：X (k) = Uspp/N，其中，Aspp是表面等离激元的波长，N是相位阶数，k = 0，1， 2,···,Ν-1〇4. 根据权利要求3所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，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。5. 根据权利要求2所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，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化sppdy，积分沿y 方向遍及整个凹槽；其中，ESPP为表面等离激元点源的电场，A是入射光的振幅，kspp和kz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<ι>为第一类化nkel函数，i是虚数单位； 金属表面上特定的场点位置(P，如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,并设定化sppdy与Espp · Ay相等。6. 根据权利要求1所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，检 索特定凹槽阵列的步骤如下： 1) 赋予每个凹槽一个随机的X坐标，给定初始高溫Τ = ΤΟ,然后计算评价函数f (XI， x2,…），得到值η; 2) 随机选取一个凹槽，随机改变凹槽X坐标X化）=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; 3) 如果（Δ f = f2-fl )<0，则上述位置改变被接受；否则将e邱(-Δ f/T)与分布在(0，1) 区间的一个随机数来比较，如果exp(-Δ 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为溫度参数，取值在(0，10]区间； 4) 在初始高溫Τ = Τ0下重复步骤2)和步骤3)P次，使得在此溫度下，评价函数达到热平 衡； 5. W预设的规则降低溫度，在下一个溫度下，重复步骤2)至步骤4); 6) 循环步骤1)至步骤5)，直到当前溫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。7. 根据权利要求6所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，步 骤4)中，WT分段，当Τ〉0.1时，P = 250;当O.OKTXO.l时，p = 500;当KO.Ol时，P=1000。从而 在计算时间不是太长的情况下保证每一溫度下评价函数都可W大体达到热平衡。8. 根据权利要求6所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，步 骤5)中，降低溫度的规则为Τη+1 = αΤη其中，Τη为当前溫度，Tn+l为下一个溫度，α为降溫系数， 取值在(〇，1)区间。9. 根据权利要求6所述的实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，其特征在于，评 价函数f具体为：其中，J是形成焦点的总个数，。是第j个焦点的光强度，loj是在焦点。所在位置沿y方向 直线上W-定的规则分布的采样点上光强度的总和。10. -种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的器件，其特征在于，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； 通过权利要求1至9任一项所述的方法，获得具有特定纵向焦点强度分布的特定凹槽阵列。
【专利摘要】本发明涉及一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。本发明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。
【IPC分类】G02B6/122
【公开号】CN105572799
【申请号】CN201610157083
【发明人】王家园, 陈翠芸, 孙志军
【申请人】厦门大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年3月18日