专利名称：一种深度调制三维亚波长金属结构透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种透镜设计方法，具体地说是一种新型的深度调制三维亚波长金属结构透镜。
背景技术：
1998年，Ebbessen等人发现当光通过亚波长金属孔阵列时，其零阶透射光谱在某些波 长的透射率数值比经典孔径理论的期望值大几个数量级。这项发现引起了人们极大的兴趣， 对异常透射现象的研究也随之成为热潮。此时的研究对象主要集中于二维周期性排列的孔阵 列和单个亚波长金属孔，所有与异常透射有关的因素金属结构本身的几何形状，材料，结 构大小，相对位置，入射光的频率和偏振方向，周期性排列方式，以及亚波长结构周围介质种类等一一被揭露。通过实验观察和理论建模得出的结果显示组成二维金属？L面阵的各线阵间存在电磁耦合作用。当两条线阵间距约等于线阵内孔的周期时透射最大，即耦合作用最 明显。同等面积的矩形孔比圆孔具有更高的透射率。对于单个矩形孔来说，其长短边比值越 大，面积均一化的透射率也越大。采用其他方法比如在孔内填充介质，也可以提高透射。但 是这些研究均集中在透过率增强方面，为了设计高透过率的亚波长光学器件，必须研究其相 位特性，国内史浩飞研究了二维金属缝对相位的调制特性，罗先刚研究了二维金属槽对相位的调制特性，但是只能实现相位在O到"之间的调制，无法进行实际的三维亚波长金属结构透镜的设计。发明内容本发明要解决的技术问题是针对现有的二维金属缝和槽结构的不足，提供一种能够实现相位在-;r到;r之间调制的三维金属结构透镜设计方法；针对宽度调制三维亚波长金属结构 透镜的用于宽波段成像时，部分孔截止，本发明可以针对固定波段设计全透透镜。本发明的技术解决方案 一种深度调制三维金属结构透镜设计方法，其特点在于步骤如下(1) 根据入射波长义，确定基底材料以及金属材料；(2) 确定金属方孔的边长fl;(3)针对单个方形金属孔结构，由计算得到相位延迟和方孔深度之间的关系为:其中P表示相位延迟，A表示入射波长，"表示方孔边长大小，选定好后就是确定的常数，A为方孔深度，选取合适深度的亚波长方孔，即可完成相位延迟从-;r到;r的调制；(4)透镜焦距为/，通过衍射理论求得其表面任意点(x，力处的相位p，其表达式如下:其中w为任意整数，选取w值，使相位伊(x，力处于-t到;r之间； (5)计算所设计透镜取样点的相位，根据相位延迟与方孔深度之间的关系，.确定每一取 样点所对应的亚波长方孔深度，从而在金属层中嵌入不同深度的方孔结构，即可设计金属结 构透镜。所述步骤(1)中的基底材料为红外材料，包括硅或锗；或可见光材料，包括石英，或 玻璃。所述步骤(1)中的金属材料为金、或银。所述步骤(2)中的金属孔宽度"可以为o.6;i o.9;i，即为亚波长量级。所述步骤(3)中的金属方孔深度为0 2;i，与所选取的方孔宽度a有关。 所述步骤(4)中透镜上各取样点可以按正方形排布、或平方点阵排布、或旋转对称排布 以及其他形式的规则排布，也可以按照随机排布以及其他非规则方式排布，只要孔的深度在 位置(矽)满足(1)式和(2)式要求，并且孔与孔之间不发生交叠即可。 本发明与现有技术相比所具有的优点是1、 本发明通过对亚波长金属结构的特性研究扩展到三维方向上，通过计算获得了相位延 迟跟方孔深度之间的调制关系，然后通过衍射理论计算获得功能元件表面的相位分布，通过 采用深度不同的亚波长金属方孔结构来实现每一点的相位延迟，能够实现相位在-"到"之间 调制，从而实现三维金属结构透镜的设计。2、 本发明在一块金属层上面即可以完成透镜的设计，设计过程简单，并且制作相对比较 简单。3、 本发明设计所得的透镜是一种衍射型透镜，相比光子筛(多孔透镜)，其衍射效率更高。4、 本发明设计可以与折射元件相结合实现折衍混合宽波段成像。
图1为本发明的金属方孔结构示意图；图2为本发明的方孔深度与相位延迟之间的关系图；图3为本发明所得亚波长金属结构透镜的三维结构示意图；图4为本发明所得亚波长金属结构透镜的俯视图；图5为本发明所得亚波长金属结构透镜的沿直径方向的剖视图；图中白色部分l为方孔，为透光区；灰色部分2表示金属，为不透光区；最下面的深色 部分3是基底，是透光的。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列 实施例，应包含权利要求书中的全部内容。而且本领域的技术人员从以下的一个实施例即可 实现权利要求中的全部内容。一种深度调制三维亚波长金属结构透镜的设计的过程如下(1) 选取入射波长为10.6nm，基底材料采用红外材料锗，金属材料为银；其中银层是 覆盖在基底材料锗表面上的，可以采用现有的微细加工工艺比如蒸镀工艺制作而成；(2) 确定金属方孔的边长为0.7;i，即为7.42pm;金属方孔的结构示意，如图1所示;(3) 假设入射角为O度，各点金属层厚度均相同，通过求解,-M、" — J^形成的 方程组，便可获得方孔深度h跟相位延迟p之间的关系如图2所示，从图中可以看出，选取 深度为0到1.43义U5.158nm)之间的亚波长方孔,即可完成相位延迟从-;r到;r的调制，也 就是完成一个相位调制周期；(4) 透镜的焦距为240pm，那么在元件表面每一点(x，y)处的相位伊可以通过下述 公式来计算<formula>formula see original document page 5</formula>其中m为任意整数，在此选取适当的m值,以保证相位pO，力处于-;r到;r之间；透镜的相位取样点按正方形排布，并且选择取样间距为0.95;i，即10[im;由于最大的方孔尺寸为9,5nm，所以此时相邻的方孔不重叠，并且取样点数足够多；(5) 根据计算所得关系曲线确定实现每抽样点相位延迟所需要的方孔大小，设计而成口 径为280nm的位相型金属结构透镜，本发明通过深度调制所得亚波长金属结构透镜的三维结 构示意图如图3所示；所得亚波长金属结构透镜的俯视图如图4所示；所得亚波长金属结构 透镜的沿直径方向的剖视图如图5所示；图中灰色部分2表示金属，为不透光区；白色部分 l为方孔，为透光区，最下面的深色部分3是基底，是透光的；本图只是设计结果的示意图，孔的位置不一定是均匀分布，实际设计结果中透镜方孔个数为几十到几万个。
权利要求
1. 一种深度调制三维亚波长金属结构透镜，其特征在于步骤如下(1)根据入射波长λ，确定基底材料以及金属材料；(2)确定金属方孔的边长a；(3)针对单个方形金属孔结构，由计算得到相位延迟和方孔深度之间的关系为id="icf0001" file="S2008101046026C00011.gif" wi="139" he="11" top= "77" left = "53" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>其中id="icf0002" file="S2008101046026C00012.gif" wi="2" he="3" top= "94" left = "40" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>表示相位延迟，λ表示入射波长，a表示方孔边长大小，h为方孔深度，选取合适深度的亚波长方孔，即可完成相位延迟从-π到π的调制；(4)透镜焦距为f，通过衍射理论求得其表面任意点(x，y)处的相位id="icf0003" file="S2008101046026C00013.gif" wi="4" he="2" top= "111" left = "157" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>其表达式如下id="icf0004" file="S2008101046026C00014.gif" wi="140" he="9" top= "119" left = "51" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>其中m为任意整数，选取m值，使相位id="icf0005" file="S2008101046026C00015.gif" wi="11" he="3" top= "133" left = "100" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>处于-π到π之间(5)计算所设计透镜取样点的相位，根据相位延迟与方孔深度之间的关系，确定每一取样点所对应的亚波长方孔深度，从而在金属层中嵌入不同深度的方孔结构，即可设计金属结构透镜。
2、 根据权利要求1所述的一种深度调制的三维亚波长金属结构透镜，其特征在于所述 步骤(1)中的基底材料可以为红外材料，包括硅或锗，也可以为可见光材料，包括石英或玻 璃。
3、 根据权利要求1所述的一种深度调制三维亚波长金属结构透镜，其特征在于所述步 骤(1)中的金属材料为金或银。
4、 根据权利要求1所述的一种深度调制三维亚波长金属结构透镜，其特征在于所述步 骤(2)中的金属孔宽度"可以为0.6义 0.9/1，即为亚波长量级。
5、 根据权利要求1所述的一种深度调制三维亚波长金属结构透镜，其特征在于所述步骤(3)中的金属方孔深度为0 2;i，与所选取的方孔宽度a有关。
6、 根据权利要求1所述的一种深度调制三维亚波长金属结构透镜，其特征在于所述步 骤(4)中透镜上各取样点可以按正方形排布、或平方点阵排布、或旋转对称排布以及其他形 式的规则排布，也可以按照随机排布以及其他非规则方式排布，只要孔的深度在位置(;cj) 满足(1)式和(2)式要求，并且孔与孔之间不发生交叠即可。
全文摘要
一种深度调制三维亚波长金属结构透镜，步骤如下(1)根据入射波长λ，确定基底材料以及金属材料；(2)确定金属方孔的宽度a；(3)针对单个方形金属孔结构，由计算得到相位延迟和方孔深度之间的关系，选取合适深度h的亚波长方孔，即可完成相位延迟从-π到π的调制；(4)透镜焦距为f，通过衍射理论求得其表面任意点(x，y)处的相位φ；(5)计算所设计透镜取样点的相位，根据相位延迟与方孔深度h之间的关系，确定每一取样点所对应的亚波长方孔深度，从而在金属层中嵌入不同深度的方孔结构。本发明实现了对相位的调制作用，可以得到三维亚波长金属结构透镜。
文档编号G02B27/00GK101276057SQ20081010460
公开日2008年10月1日 申请日期2008年4月22日 优先权日2008年4月22日
发明者史立芳, 周崇喜, 杜春雷, 董小春, 陈艳中 申请人:中国科学院光电技术研究所