一种新型等离子体透镜及其制备方法

1.本发明属于太赫兹spps(surface plasmon polaritons，表面等离极化激元)技术领域，特别涉及一种新型等离子体透镜及其制备方法，该新型等离子体透镜能激发太赫兹spps并聚焦增强。


背景技术：

2.近几十年，得益于光电科学技术的发展，介于微波和红外波段之间的太赫兹波逐渐走入人们的视线，太赫兹波因其本身的优良特性而得到研究人员们的青睐，迎来了快速的发展。此外，由于亚波长尺寸金属结构的几何形状能够对电磁波产生非凡响应，在金属与介质分界面产生spps，spps被限制在垂直于界面的方向上，具有比入射波更短的波长并且在近场中具有很强的局域电磁场增强，这些独特的光学和物理性质使spps得到了广泛研究。对作为一门新兴科学的太赫兹科学来说，在太赫兹波段去研究spps能够推进太赫兹科学的发展和应用，对开发太赫兹元器件(如光导传输线、波导、偏光器、滤光器、光子晶体和等离子体晶体等)和太赫兹系统小型化具有重要意义。
3.有研究人员提出可通过在金属平板中构造亚波长方孔阵列的方式激发太赫兹波段的spps，为表面等离激元光学打开了通往太赫兹波段的新前景。因为spps在传播方向的场强逐渐衰弱，在金属表面的损耗较大，所以需要聚焦增强太赫兹spps的场强。传统的圆环型等离子体透镜，要求径向偏振光照射时，并且入射光束的中心要与圆环中心严格对齐，这个条件在实际实验时很难实现，会大大限制金属薄膜中的圆环结构的实用性。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种能激发太赫兹spps并聚焦增强的新型等离子体透镜，通过相长干涉，实现对太赫兹spps的聚焦增强。
5.技术方案
6.为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种新型等离子体透镜，包括石英基片和生长在所述石英基片上的金膜，所述金膜包括两组圆心重叠有半径差的半圆环狭缝，两组所述半圆环狭缝分别在圆心的两侧对称分布。
7.进一步的，所述石英基片的厚度为500μm，所述金膜的厚度为200nm。
8.进一步的，两组所述半圆环狭缝的宽度均为150μm，同侧半圆环狭缝组的半径差为440μm，不同侧对称的两个半圆环狭缝之间的半径差为220μm。
9.本发明采用的第二种技术方案为一种制备如上所述新型等离子体透镜的方法，包括以下步骤：
10.(1)清洗石英基片；
11.(2)在所述石英基片上涂覆光刻胶lor-10b并烘干；
12.(3)在所述光刻胶lor-10b上涂覆光刻胶az1500并烘干；
13.(4)对所述光刻胶lor-10b和光刻胶az1500进行曝光并显影；
10b，设置匀胶机预转速600rpm，稳定转速4000rpm，时间分别为6s和40s，匀胶结束后放在烘台上以150℃加热5分钟。然后以相同的匀胶机参数旋涂第二层光刻胶az1500，匀胶结束后放在烘台上以100℃加热2分钟。
30.(3)曝光与显影
31.将涂好光刻胶的石英基片放入激光直写光刻机，并导入用画好的掩膜板文5件，激光质量选择为high，激光计量设置为135mj/cm2,光刻完用正胶显影液进行显影，时间15s。
32.(4)蒸镀金属薄膜
33.在显影后的石英基片上通过磁控溅射蒸镀一层金属，所述金属为钛和金,
34.先在气体体积流量为100sccm的氩气保护下，在4mtorr的气压下以恒定电流0 0.4a镀一层钛，持续时间为10s，钛厚度为10nm，起粘附层的作用，钛膜电导率不高并且很薄，对太赫兹波的影响十分小，可以忽略不计。再在气体体积流量为100sccm的氩气保护下，在4mtorr的气压下以恒定功率80w蒸镀一层金，持续时间为200s，金厚度为200nm。
35.(5)剥离
36.5将蒸镀完金属薄膜的石英基片浸泡在n-甲基溶液中24小时，剥离光刻胶lor-10b和az1500,光刻胶被剥离时会带走其表面上的金属。使用两层光刻胶是因为lor-10b和az1500在曝光后在正交显影液中的溶解速度不同，lor-10b的溶解速度比az1500更快，这样会导致两层光刻胶曝光的地方出现
37.一个楔形结构，这样会使得下层的lor-10b与蒸镀的金不会产生粘连，剥离时0就不会带走金膜边缘的金，以保证金膜边缘的结构完整性。然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗。
38.经过以上步骤，就可以得到如图1所示新型等离子体透镜，整个结构大小为10mm
×
10mm。
39.三、新型等离子体透镜激发太赫兹spps并聚焦增强的方案5探测晶体使用《100》gap晶体，调整太赫兹实时近场光谱成像系统光路，
40.使其能够测量到纵向的电场强度，使用线偏振的太赫兹波照射新型等离子体透镜，如图1所示，其偏振方向为x方向，垂直于不同侧大小半圆环的分界线，其传播方向为z轴正方向，最后得到spps的频域图像。
41.四、新型等离子体透镜实验结果及讨论
42.本发明设计的新型等离子体透镜最主要的应用方面就是激发太赫兹波段的spps并进行聚焦增强。图2为该结构在0.68thz时的频域图像，结构中心形成了一个明显的光斑，最靠近光斑的次极大聚焦场略微明显，其他位置的太赫兹spps的电场强度非常微弱，基本可以忽略，实现了对太赫兹spps的聚焦增强。其中焦斑的z向电场强度峰值约为次极大聚焦场峰值的2-4倍，焦斑的平均极大值半处的全宽度约为100μm，属于亚波长尺寸的范畴。
43.总之，本发明在石英基底上设计的新型等离子体透镜，主要体现在可以激发太赫兹波段的spps，并对其进行聚焦增强，形成一个亚波长尺寸的光斑等优点，为太赫兹波段spps的研究提供了一个新的方案。根据实际需要，通过对结构的优化设计，修改参数，还可以得到其他频率、聚焦增强效果更好的器件。因此，广泛应用于太赫兹spps研究方面。


技术特征：
1.一种新型等离子体透镜，其特征在于，包括石英基片和生长在所述石英基片上的金膜，所述金膜包括两组圆心重叠有半径差的半圆环狭缝，两组所述半圆环狭缝分别在圆心的两侧对称分布。2.根据权利要求1所述新型等离子体透镜，其特征在于，所述石英基片的厚度为500μm，所述金膜的厚度为200nm。3.根据权利要求1所述新型等离子体透镜，其特征在于，两组所述半圆环狭缝的宽度均为150μm，同侧半圆环狭缝组的半径差为440μm，不同侧对称的两个半圆环狭缝之间的半径差为220μm。4.一种制备如权利要求1所述新型等离子体透镜的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)清洗石英基片；(2)在所述石英基片上涂覆光刻胶lor-10b并烘干；(3)在所述光刻胶lor-10b上涂覆光刻胶az1500并烘干；(4)对所述光刻胶lor-10b和光刻胶az1500进行曝光并显影；(5)在所述光刻胶az1500和露出的石英基片上蒸镀一层金属薄膜；(6)将蒸镀完金属薄膜的石英基片进行剥离，完成器件的制备。5.一种利用如权利要求1所述新型等离子体透镜激发太赫兹spps并聚焦增强的方法，其特征在于，使用线偏振的太赫兹波照射新型等离子体透镜，太赫兹波的偏振方向垂直于大小半圆环组的分界线。

技术总结
本发明公开了一种新型等离子体透镜，包括石英基片和生长在所述石英基片上的金膜，所述金膜包括两组圆心重叠有半径差的半圆环狭缝，两组所述半圆环狭缝分别在圆心的两侧对称分布。本发明还公开了制备所述新型等离子体透镜的方法以及利用所述新型等离子体透镜激发太赫兹SPPs并聚焦增强的方法。本发明结构简单，通过相长干涉实现了对太赫兹SPPs的聚焦增强。通过相长干涉实现了对太赫兹SPPs的聚焦增强。通过相长干涉实现了对太赫兹SPPs的聚焦增强。


技术研发人员：张彩虹 谭博文 冯龙呈 杨圣新 范克彬 吴敬波 金飚兵 陈健 吴培亨
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/3/7