光表面波聚焦器件

本申请涉及电磁技术，尤其涉及一种光表面波聚焦器件。

背景技术：

1、目前，亚波长电磁波聚焦是指将电磁波能量聚集在纳米尺度的体积内，有利于增强光与物质的相互作用，在非线性光学、纳米光刻、光学成像、生物传感、光谱增强和纳米级光操纵中发挥着关键作用。近年来，具有面内双曲色散关系的范德华材料支持的双曲声子极化激元引起了科研人员的广泛关注，双曲声子极化激元具有强能量束缚能力和独特的类射线传播方向，在深亚波长尺度上为操纵和聚焦电磁波提供了新的平台与潜在的优势。但是双曲声子极化激元只存在于材料的“剩余射线带”(即在其传播方向上材料的介电常数为负的频段)，所以其工作波长一般限制在中远红外区域。

2、光表面波是基于材料各向异性导致的晶体对称性的差异产生的，在两种介质中至少有一种是各向异性介质的界面传播，且要求介质的折射率满足一定的条件。例如，在各向同性-单轴各向异性介质界面处，当各向同性折射率nc与寻常光折射率no、非寻常光折射率ne相匹配时，即no<nc<ne，光表面波在可允许的特定角度范围δθ内传播，其中，取向角θ为光表面波的波矢方向与光轴方向的夹角。当各向异性介质具有双曲色散关系时，光表面波具有极强的电磁场束缚能力，另外，其能量方向与波矢方向非同轴，这是利用凸形激发源实现亚波长电磁波聚焦的关键。并且，光表面波的电磁模式为表面模式，材料内部不支持能量传播，其能量被束缚在界面附近更容易被利用。更重要的是，超材料由于具备对光场独有的调控能力和高设计自由度，和光表面波结合具有广泛的研究前景。最近，在可见光到近红外光谱范围内，具有强各向异性的面内双曲超材料被设计用于维持光表面波的传播。然而，加工高深宽比的面内双曲超材料极其困难，并且在可见光和近红外波段的亚波长光表面波聚焦尚未实现。

3、综上所述，现有的通过范德华材料引入双曲声子极化激元实现亚波长电磁波聚焦的器件主要工作波段在中远红外波段，同时，现有的面内双曲超材料设计需要高深宽比，通常伴随复杂的结构设计与加工。所以，工作在可见光和近红外波段的光表面波亚波长聚焦器件尚为空白。

4、从而，亟需一种可以工作在可见光和近红外波段的光表面波亚波长聚焦器件。

技术实现思路

1、本申请提供一种光表面波聚焦器件，用以解决光表面波亚波长聚焦器件无法在可见光和近红外波段工作的技术问题。

2、第一方面，本申请提供一种光表面波聚焦器件，包括各向同性介质包层、双曲超材料薄膜、各向同性基板以及激发源；

3、所述激发源位于所述各向同性基板的上表面上，所述双曲超材料薄膜覆盖在所述各向同性基板的上表面上，所述各向同性介质包层为所述光表面波聚焦器件所在空间的空气介质。

4、进一步地，所述双曲超材料薄膜是根据电子束蒸发的方式，在所述各向同性基板上蒸镀金属膜，并根据预设的聚焦离子束刻蚀的加工方式加工所述金属膜得到的。

5、进一步地，所述双曲超材料薄膜为金属条阵列结构，所述金属条阵列结构中的金属条的周期为p，占空比为f，长度为l，所述金属条的个数为n，n为大于1的正整数。

6、进一步地，所述双曲超材料薄膜的所述金属条阵列结构包括交替的纳米狭缝，所述纳米狭缝包括金属纳米狭缝和空气纳米狭缝；所述双曲超材料薄膜的光轴方向垂直于所述纳米狭缝；

7、所述双曲超材料薄膜垂直于所述纳米狭缝的方向的介电常数εe和平行于所述纳米狭缝的方向的介电常数ε0，如下：

8、εo＝εairfair+εmetal(1-fair)

9、

10、其中，εmetal为所述双曲超材料薄膜所用金属的介电常数，εair为所述空气纳米狭缝中的空气的介电常数，fair为所述空气纳米狭缝中的空气的占空比。

11、进一步地，所述双曲超材料薄膜在所述各向同性基板上的覆盖面积为所述各向同性基板的上表面的整体面积，或者，为所述上表面的预设的部分面积。

12、进一步地，所述各向同性基板包括石英基底。

13、进一步地，所述激发源为以下的任意形状：

14、圆形、多边形。

15、进一步地，所述激发源为金属环；

16、所述金属环与双曲超材料薄膜之间的宽度为空气环的宽度，所述空气环的宽度等于所述金属环的宽度，其中，所述空气环是根据所述金属环的外直径确定的。

17、进一步地，双曲超材料薄膜和激发源为以下的任意材料：

18、金属金、金属银、金属铝。

19、进一步地，所述双曲超材料薄膜在上表面的覆盖厚度和激发源的厚度相等。

20、本申请提供的一种光表面波聚焦器件，包括各向同性介质包层、双曲超材料薄膜、各向同性基板以及激发源；激发源位于各向同性基板的上表面上，双曲超材料薄膜覆盖在各向同性基板的上表面上，各向同性介质包层为光表面波聚焦器件所在空间的空气介质。本方案中，利用双曲超材料薄膜和激发源的结合，可以实现光表面波波矢大小和方向的匹配激发，通过对工作波长和激发源几何尺寸进行调控，实现在可见光到近红外波段深亚波长尺度上的聚焦调制，并且光表面波聚焦器件结构加工简单，对能量操控和面内纳米光路领域有着重要意义。相比于已有的亚波长聚焦器件，本申请是工作在可见光到近红外波段的器件，并且是基于光表面波实现，相比于导模模式，表面模的能量主要集中在界面处，有利于收集利用，解决了光表面波亚波长聚焦器件无法在可见光和近红外波段工作的技术问题。

技术特征：

1.一种光表面波聚焦器件，其特征在于，包括各向同性介质包层、双曲超材料薄膜、各向同性基板以及激发源；

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述双曲超材料薄膜是根据电子束蒸发的方式，在所述各向同性基板上蒸镀金属膜，并根据预设的聚焦离子束刻蚀的加工方式加工所述金属膜得到的。

3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述双曲超材料薄膜为金属条阵列结构，所述金属条阵列结构中的金属条的周期为p，占空比为f，长度为l，所述金属条的个数为n，n为大于1的正整数。

4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述双曲超材料薄膜的所述金属条阵列结构包括交替的纳米狭缝，所述纳米狭缝包括金属纳米狭缝和空气纳米狭缝；所述双曲超材料薄膜的光轴方向垂直于所述纳米狭缝；

5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述双曲超材料薄膜在所述各向同性基板上的覆盖面积为所述各向同性基板的上表面的整体面积，或者，为所述上表面的预设的部分面积。

6.根据权利要求5所述的器件，其特征在于，所述各向同性基板包括石英基底。

7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述激发源为以下的任意形状：

8.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述激发源为金属环；

9.根据权利要求1-6或7-8中任一项所述的器件，其特征在于，双曲超材料薄膜和激发源为以下的任意材料：

10.根据权利要求9所述的器件，其特征在于，所述双曲超材料薄膜在上表面的覆盖厚度和激发源的厚度相等。

技术总结
本申请提供一种光表面波聚焦器件，涉及电磁技术，本申请包括各向同性介质包层、双曲超材料薄膜、各向同性基板以及激发源；激发源位于各向同性基板的上表面上，双曲超材料薄膜覆盖在各向同性基板的上表面上，各向同性介质包层为光表面波聚焦器件所在空间的空气介质。本申请的方法，利用双曲超材料薄膜和激发源的结合，可以实现光表面波波矢大小和方向的匹配激发，通过对工作波长和激发源几何尺寸进行调控，实现在可见光到近红外波段深亚波长尺度上的聚焦调制，解决了光表面波亚波长聚焦器件无法在可见光和近红外波段工作的技术问题。

技术研发人员：孙竞博,熊小雨,周济,吉喆
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10