一种基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚焦透镜的制作方法
【专利摘要】一种基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚焦透镜，包括基底、金属膜层、狭缝结构单元。狭缝结构单元是在长度为L、宽度为a金属膜层上刻出的长度为l、宽度为w的狭缝，狭缝深度与金属膜层厚度t2相同；一系列相互平行的所述狭缝结构单元构成狭缝结构阵列，其中第i个狭缝结构单元的宽度为ai，狭缝宽度为wi；对于给定的透镜振幅空间分布A(xi)，通过狭缝宽度与振幅透射率关系A(w)，确定空间位置xi处的狭缝宽度wi，由此采用相应的狭缝结构阵列，实现平面空间振幅分布A(xi)，从而实现透镜的超振荡聚焦功能。本发明可以提高超振荡聚焦透镜的聚焦性能：包括提高聚焦能量、降低聚焦光场的旁瓣、扩大聚焦光场的视场范围。
【专利说明】一种基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚 焦透镜
【技术领域】
[0001] 本发明属于光聚焦、光成像领域，特别是涉及连续振幅调控超振荡聚焦透镜。
【背景技术】
[0002] 在微纳光学器件中，通常采用的二值振幅调控往往不能实现最优性能，大大限制 了超振荡聚焦透镜的设计。亚波长结构阵列可以用来实现对入射电磁波的振幅进行连续调 控。相对于二值振幅调控，采用连续振幅调控可以提高超振荡聚焦透镜的设计自由度、改善 超振荡聚焦透镜的聚焦性能，如：提高聚焦能量、降低聚焦光场的旁瓣、扩大聚焦光场的视 场范围等。
[0003] 目前尚无通过微结构实现振幅连续调控的相关报道，目前报道最多的仍是基于狭 缝的二值振幅调控（即振幅透射率为〇或者1)。
[0004] (1)对于振幅的调控，目前主要是通过狭缝或者小孔实现简单的透光和不透光两 种模式的控制，开口（孔或狭缝）的地方透光，不开口（孔或狭缝）的地方不透光，也就是 -值（〇或1)振幅调控；相关文献有：
[0005] # T. Liu, J. Tan, J. Liu, and H. Wang, ^Vectorial design of super-oscillatory lens，，' Opt. Express，Vol. 21，pp. 15090-15101 (2013) ·
[0006] # E. T. F. Rogers, J. Lindberg, T. Roy, S. Savo, J. E. Chad, M. R. Dennis, and N. I. Zheludev, "A super-oscillatory lens optical microscope for subwavelength imaging，" Nat. Mater. Vol. 11，pp. 432-435 (2012).
[0007] · V. V. Kotlyar，S. S. Stafeev，Y. Liu，L· 0'Faolain，and A. A. Kovalev，"Analysis of the shape of a subwavelength focal spot for the linearly polarized light，，'Appl. Opt. Vol. 52, pp. 330-339 (2013).
[0008] (2)根据现有的二值（0或1)振幅调控超振荡透镜的聚焦性能来看，分两种情况， 一是焦斑附近旁辧很大（如文献：Ε· T. F. Rogers，J. Lindberg，T. Roy，S. Savo, J. E. Chad，M. R.Dennis,and N.I. Zheludev, "A super-oscillatory lens optical microscope for subwavelength imaging，" Nat. Mater. Vol. 11，pp. 432-435 (2012) ·)，二是通过把大的旁 瓣外推，在主瓣半宽为0. 48 λ的情况下，有效视场为（-90 λ，+90 λ )(如文献：Edward T F Rogers and Nikolay I Zheludev,uOptical super-oscillations: sub-wavelength light focusing and super-resolution imaging" J. Opt. 15, pp. 094008 (2013)) 〇
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于单层金属狭缝结构阵列的连 续振幅调控超振荡聚焦透镜，其采用连续振幅调控的金属狭缝结构单元，该金属狭缝结构 单元狭缝宽度决定了光振幅透射率，通过改变狭缝宽度可以实现振幅连续调控；利用该金 属狭缝结构单元形成空间平面阵列，实现任意给定的光振幅空间分布；采用金属狭缝结构 阵列，使其出射光场满足超振荡聚焦透镜对空间振幅分布的要求，从而提高超振荡聚焦透 镜的聚焦性能，提高聚焦能量、降低聚焦光场的旁瓣、扩大聚焦光场的视场范围。
[0010] 本发明通过以下技术方案来加以实现：
[0011] 一种基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚焦透镜，包括基底、金 属膜层、狭缝结构单元。
[0012] 所述基底是一块具有一定厚度的介质材料，对入射光波长λ透明，具有较高的透 射率。
[0013] 所述金属膜层是位于基底上一层具有一定厚度t2的金属材料膜。
[0014] 所述狭缝结构单元是在长度为L、宽度为a金属膜层上刻出的长度为1 (小于或等 于L)、宽度为w(小于或等于a)的狭缝，狭缝的深度与金属膜层厚度t2相同；对于给定的 入射光波长λ、金属材料和金属膜层厚度t 2，通过改变狭缝宽度w来控制狭缝出射幅振幅 A(w)，进而实现对透射振幅的连续调控。
[0015] 一系列相互平行的所述狭缝结构单元构成狭缝结构阵列，其中第i个狭缝结构单 元的宽度为％，狭缝宽度为 Wi ;对于给定的透镜振幅空间分布A (Xi)，依据狭缝宽度与振幅 透射率关系A (w)，确定空间位置Xi处的狭缝宽度Wi，由此采用相应的狭缝结构阵列，实现平 面空间振幅分布A (Xi)，进而实现所设计透镜的超振荡聚焦功能。
[0016] 要实现以上的连续振幅调控超振荡聚焦透镜，需要确定金属膜层材料、金属膜层 厚度t2和狭缝出射幅振幅与缝宽的关系A (w)，方法如下：
[0017] (1)根据给定的入射光波长λ，选用折射率nMf = 1!1^111接近于理想金属折射率 (对于理想金属，其折射率实部ηκ为零、折射率虚部 ηι无穷大）的实际金属，S卩，所选用的 实际金属材料（如：金、银、铜、铝、钨、钼）是在折射率虚部巧最大的金属中，选择折射率实 郃n R最小者；
[0018] (2)通过有限时域差分法数值模拟，对于给定的入射光波长λ，在平面波垂直入 射条件下，求解不同厚度金属膜层的能量透射率Τ，当Τ等于0. 01时，对应的厚度值作为金 属膜层厚度t2 ;
[0019] (3)通过有限时域差分法数值模拟，对于给定入射光波长λ，在平面波垂直入射 条件下，金属膜层厚度t 2、狭缝单元结构宽度a，求解狭缝不同狭缝宽度w的等效振幅透射 率 A(w);
[0020] (4)根据超振荡透镜所要求的空间振幅分布A(Xi)，确定空间位置Xi处的狭缝宽度 Wp由此在基底上形成对应的金属狭缝结构阵列，实现超振荡聚焦透镜。
[0021] 以下详细分析采用本发明所述的连续振幅调控实现超振荡聚焦透镜的优势：
[0022] 图1给出了二值振幅调控超振荡聚焦透镜（虚线）与连续振幅调控超振荡聚焦透 镜（实线）聚焦光场能量分布比较；两者主瓣的半宽均为〇. 34 λ，对于同样的入射光强度 (单位入射强度），二值振幅调控超振荡聚焦透镜焦瓣中心强度为1. 4,连续振幅调控超振 荡聚焦透镜（实线）中心焦瓣的能量为3. 6,因此采用连续振幅调控可以提高透镜的聚焦能 力。
[0023] 图2给出了二值振幅调控超振荡聚焦透镜（虚线）与连续振幅调控超振荡聚焦透 镜（实线）归一化聚焦光场能量分布比较；在焦平面上（-61 λ，+61 λ )范围内，二值振幅调 控超振荡聚焦透镜的最大旁瓣强度为〇. 5,而连续振幅调控超振荡聚焦透镜旁瓣强度仅为 0. 25 ;在旁瓣强度为0. 25时，二值振幅调控超振荡聚焦透镜的视场范围为（-20 λ，+20 λ )， 而连续振幅调控超振荡聚焦透镜的视场范围为（-61 λ，+61 λ);
[0024] 表1中给出了，二值振幅调控超振荡聚焦透镜与连续振幅调控超振荡聚焦透镜聚 焦性能参数比较。对于同样的入射光强度（单位入射强度），二值振幅调控超振荡聚焦透 镜的焦斑能量占总能量的〇. 37%，而连续振幅调控超振荡聚焦透镜的焦斑能量占总能量的 0· 5%。
[0025] 表1.二值振幅调控超振荡聚焦透镜与连续振幅调控超振荡聚焦透镜聚焦性能比 较，其中λ表不入射光波长
[0026]
【权利要求】
1. 一种基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚焦透镜，其特征在于包括 基底（1)、金属膜层（2)、狭缝结构单元（3); 所述基底（1)是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明； 所述金属膜层（2)是厚度为t2的金属材料膜，位于基底上； 所述狭缝结构单元（3)是在长度为L、宽度为a金属膜层上刻出的长度为1、宽度为w的 狭缝，其中1 < L，w < a，狭缝的深度与金属膜层厚度t2相同；对于给定的入射光波长λ、 金属材料和金属膜层厚度t2，通过改变狭缝宽度w来控制狭缝出射幅振幅A (w); 一系列相互平行的所述狭缝结构单元（3)构成狭缝结构阵列，其中第i个狭缝结构单 元的宽度为ap狭缝宽度为Wi ;对于给定的透镜振幅空间分布A (Xi)，通过狭缝宽度与振幅 透射率关系A (w)，确定空间位置Xi处的狭缝宽度Wi，由此采用相应的狭缝结构阵列，实现平 面空间振幅分布A (Xi)，从而实现透镜的超振荡聚焦功能。
2. 根据权利要求1所述的基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚焦 透镜，其特征在于：确定金属膜层材料、金属膜层厚度t 2和狭缝出射幅振幅与缝宽的关系 A(w)的方法： (1) 根据给定的入射光波长λ，选用折射率nMf = nK+ini接近于理想金属折射率的实 际金属，即，所选用的实际金属材料是在折射率虚部h最大的金属中，选择折射率实部η κ最 小者； (2) 通过有限时域差分法数值模拟，对于给定的入射光波长λ，在平面波垂直入射条 件下，求解不同厚度金属膜层的能量透射率Τ，当Τ等于0. 01时，对应的厚度值作为金属膜 层厚度h ; (3) 通过有限时域差分法数值模拟，对于给定的入射光波长λ，在平面波垂直入射条 件下，金属膜层厚度t2、狭缝单元结构宽度a，求解狭缝不同狭缝宽度w的等效振幅透射率 A(w)； (4) 根据超振荡透镜所要求的空间振幅分布A (Xi)，确定空间位置Xi处的狭缝宽度Wi， 由此在基底上形成对应的金属狭缝结构阵列，实现超振荡聚焦透镜。
3. 根据权利要求2所述的基于单层金属狭缝结构阵列的连续振幅调控超振荡聚焦透 镜，其特征在于：可以通过在狭缝内填充介质材料，减小金属缝内等效波长，从而可以减小 阵列的周期a，提高振幅连续调控的空间分辨率。
【文档编号】G02B3/00GK104049288SQ201410331060
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】陈刚, 陈李, 温中泉, 何应虎, 李语燕 申请人:重庆大学