一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜，包括介质衬底和位于介质衬底上的金属薄膜，在金属薄膜中心蚀刻有一个T型微孔，微孔的周围分布有周期性同心环结构，周期性同心环结构包括带有调制相位功能的同心环沟槽以及外围的同心环沟槽。径向偏振光由底部入射，通过金属-介质-金属型波导结构，从各个方向高效激发Spps，处于中心的T型微孔在增加透射光强的同时，中心孔透射光与散射至自由空间的Spps由于多模干涉形成紧聚焦，调节阶梯型同心环沟槽出口处相位，配合天线效应，通过多光束干涉，可以进一步压缩焦斑，增大焦点的光强，改善透镜聚焦特性，实现径向偏振光激发下的长焦距的亚波长紧聚焦。
【专利说明】一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及的是一种径向偏振光激发下的长焦距、紧 聚焦表面等离子体激元透镜。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是局域在金属表面的一 种电磁波模式，是在金属-介质界面上光和金属表面的自由电子相互作用激发并耦合电荷 密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光子学的研究中扮 演着重要角色。基于SPPs的各种纳米光子器件被认为是最有希望实现纳米全光集成回路 的基础。由于Spps具有短波长特性和很强的表面束缚性，能够被聚焦成一个突破衍射极限 的紧聚焦光斑。表面等离子体激元透镜（Plasmonic lens，PL)就是一种能够有效激发和操 控SPPs实现紧聚焦的亚波长纳米光器件，在亚波长光学、超分辨成像、纳米光刻、近场成像 与探测、纳米粒子操控等领域有着重要的应用。适当的设计等离子体激元透镜结构，可以控 制焦斑的尺寸，形状和强度，近年来诸如狭缝-光栅型透镜、同心环型透镜、微孔阵列型透 镜等各种等离子体激元透镜结构被提出。
[0003] 如何实现高能量效率的紧聚焦焦斑是等离子体激元透镜设计面临的关键问题。通 常情况下，激发光束为线/圆偏振光时，光束只能在一个方向上激发Spps，效率较低。柱对 称矢量光束是振幅和相位都呈轴对称分布的矢量光束，径向偏振光是柱对称矢量光束的一 种，由于其偏振方向的特殊性，径向偏振光独特的聚焦特性引起了人们的大量研究。其中， 径向偏振光比均匀偏振分布的光可以被聚焦到更小的空间中。在强聚焦下，径向偏振光会 产生纵向分量，从而聚焦光斑在三维空间中呈现梭形。由于径向偏振光电场分布的特殊性， 可以从各个方向激发Spps，同时增加狭缝数，以增加照射面积，可提高激发效率，如Chen W 等人提出的 PL 透镜（Chen W，Abeysinghe D C, Nelson R L，et al. Plasmonic lens made of multiple concentric metallic rings under radially polarized illumination[J]. Nano letters, 2009, 9(12) :4320-4325.)，入射光在同心狭缝形成的M-I-M结构中激发 Spps，并在透镜表面传播，在透镜中心形成极值，但是由于其强度主要集中在透镜表面，其 应用范围也受到大大限制。Ruobing Peng等人在这一结构基础上增加环形狭缝和同心的 沟槽，将激发的Spps散射到自由空间，通过干涉形成聚焦，实现了一种超长焦深，高分辨率 透镜，其焦距为 2.1 λ。，半高宽（FWHM)为 0.44 λ。，焦深为 2. 65 λ。(Peng R，Li X，Zhao Z，et al. Super-Resolution Long-Depth Focusing by Radially Polarized Light Irradiation Through Plasmonic Lens in Optical Mes〇-field[J]· Plasmonics，2013:1-6.) 〇
[0004] 径向偏振光能更高效的激发SPP获得更佳的场局域增强效应，进一步优化SPP透 镜生成突破衍射极限的高质量焦场，同时能够灵活调节焦距、焦深以及有效抑制旁瓣，在 纳米光刻、共聚焦显微、光数据存储、光镊技术等领域有着重要的应用前景（Dorn R，Quabis S，Leuchs G.Sharper focus for a radially polarized light beam[J]. Physical review letters，2003, 91 (23) :233901. Min C，Shen Z，Shen J，et al· Focused plasmonic trapping of metallic particles[J]. Nature communications, 2013,4.)〇
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种新型表面等离子体激元透镜结构，在径向偏振光激发 下，突破衍射极限，实现长焦距亚波长紧聚焦。
[0006] 本发明采用的技术方案：
[0007] -种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜，包括介质衬底和位于介质 衬底上的金属薄膜，在金属薄膜中心蚀刻有一个T型微孔，微孔的周围分布有周期性同心 环结构，所述周期性同心环结构包括带有调制相位功能的同心环沟槽以及外围的同心环沟 槽。
[0008] 进一步地，所述带有调制相位功能的同心环沟槽为阶梯型。
[0009] 所述介质衬底为入射端，金属薄膜为出射端。
[0010] 所述周期性同心环结构尺寸与工作波长具有相同量级，但小于工作波长。
[0011] 优选地，所述带有调制相位功能的同心环沟槽数量为2个，所述外围的同心环沟 槽数量为5个。
[0012] 本发明是一种新颖的径向偏振光激发下的长焦距、紧聚焦表面等离子体激元透 镜。径向偏振光由底部入射，利用同心环形成的金属-介质-金属型波导，从各个方向高效 激发表面等离子体激元，处于中心的T型微孔增加透射光强的同时，中心孔透射光与散射 至自由空间的Spps由于多模干涉形成亚波长量级紧聚焦光斑。通过设计阶梯型同心环沟 槽以及多级同心环，调节表面等离子体激元传播常数，从而达到调制光场相位的目的，配合 天线效应，通过多光束干涉，可以进一步压缩焦斑，增大焦点的光强，改善透镜聚焦特性，进 而实现高能量效率的长焦距亚波长紧聚焦。通过结构参数包括结构单元的长度和宽度，阶 梯结构深度、宽度或渐变规律，可以实现对表面等离子体激元相位的调制，进而实现对聚焦 性能的调制。本发明的表面等离子体透镜结构紧凑，便于加工，易于高质量制备，在微纳光 亥IJ、光学微操作、以及集成光器件等领域有较好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1 (a)和（b)为径向偏振光激发下的长焦距、紧聚焦表面等离子体激元透镜剖面 视图与俯视图。
[0014] 图2为表面等离子体激元透镜yz平面视图；图中有介质衬底1、金属薄膜2、中心 蚀刻的T型微孔3、带有调制相位功能的、配有阶梯反射结构的阶梯型同心环沟槽4与多级 同心环5。
[0015] 图3为径向偏振光激发下表面等离子体激元透镜光场分布；
[0016] 图4为等离子体激元透聚焦特性，即半高宽（FWHM)，焦深（D0F)与焦距⑴。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图，对本发明的实施例作详细说明。
[0018] 具体计算过程1 :Bessel_Gaussian型矢量光束表达式
[0019] 对于一个在自由空间中沿Z方向传播的单色的矢量光束，其电场矢量E在柱坐标 下能被写成：
[0020] E = F(/\69iz)cxp[/(fe-^)] (1.1)
[0021] 其中，F是电场的矢量振幅，r和P是柱坐标，k = ω/c是该单色光的角频率，C是 真空中的光速。这个光束的电场矢量在矢量Helmholtz规范下是成立的，满足：
[0022] VxVxE-/c2E = 0 Π .2)
[0023] 由于激光腔内产生的光束的纵向电场分量一般都远远小于横向电场，因而假设矢 量光束只有横向分量匕和尽，gpF(r系= ，将式Q. !)代入到Q.2)中：
[0024]
【权利要求】
1. 一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜，包括介质衬底和位于介质衬 底上的金属薄膜，其特征在于，在金属薄膜中心蚀刻有一个T型微孔，微孔的周围分布有周 期性同心环结构，所述周期性同心环结构包括带有调制相位功能的同心环沟槽以及外围的 同心环沟槽。
2. 根据权利要求1所述的一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜，其特 征在于，所述带有调制相位功能的同心环沟槽为阶梯型。
3. 根据权利要求1所述的一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜，其特 征在于，所述介质衬底为入射端，金属薄膜为出射端。
4. 根据权利要求1至3之一所述的一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透 镜，其特征在于，所述周期性同心环结构尺寸与工作波长具有相同量级，但小于工作波长。
5. 根据权利要求1至3之一所述的一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透 镜，其特征在于，所述带有调制相位功能的同心环沟槽数量为2个，所述外围的同心环沟槽 数量为5个。
【文档编号】G02B6/122GK104090332SQ201410329187
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】陆云清, 呼斯楞, 陆懿, 许吉, 王瑾 申请人:南京邮电大学