一种空间任意弯曲光束产生器的结构与制备方法
【专利摘要】本发明涉及特殊光场调控技术，具体涉及一种空间任意弯曲光束产生器的结构与制备方法。所述结构为金属矩形块、二氧化硅、金属、二氧化硅的四层结构，所述四层结构的基底层为二氧化硅，基底层上蒸镀金属膜，金属膜上有两条缝隙，金属膜上面蒸镀二氧化硅膜，二氧化硅膜上表面有非周期金属矩形块；本发明的结构通过甩负胶，曝光、显影、定影，垂直蒸镀金属，垂直蒸镀二氧化硅，除胶，甩正胶，再次曝光、显影、定影，再次垂直蒸镀金属和再次除胶制备得到。本发明制备结构能够形成空间任意弯曲光束，且本发明的方法避免了在金属表面刻凹槽，实验设备要求相对低，易于重复使用。
【专利说明】
一种空间任意弯曲光束产生器的结构与制备方法
技术领域
[0001]本发明属于特殊光场调控技术，具体涉及一种空间任意弯曲光束产生器的结构与制备方法。
【背景技术】
[0002]表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,简记为SPPs)是存在金属与介质表面的一种特殊电磁波，相比其他普通空间电磁波，它在金属表面衰减速度快，传播距离短，波长短，局域光场强，得到广泛应用。近年来随着研究的不断深入，对SPPs的调节与控制备受关注。
[0003]根据已公开的文献报道，研究者通过在金属层表面制备相位光栅，应用光栅产生金属表面弯曲等离激元束(Minovich A, Klein A E, Janunts N, et al.Generat1nand near-field imaging of Airy surface plasmons[J].Physical Review Letters,2011，107(11): 116802.);通过在金属表面制备纳米孔洞阵列，应用孔洞间的布拉格衍射，产生表面弯曲等离激元束(Li L, Li T, Wang S M, et al.Plasmonic Airy beamgenerated by in-plane diffract1n[J].Physical Review Letters, 2011, 107(12):126804.);也有通过在金属表面制备计算机全息相位掩膜光栅，应用光栅产生表面弯曲等离激元束(Epstein I, Arie A.Arbitrary bending plasmonic light waves[J].Physical Review Letters, 2014, 112(2): 023903.)。这些表面弯曲等离激元束都是由平面波锥形叠加形成的，具有无衍射、自弯曲和自修复等特性，因此在生物传感、光学捕获、左手材料、亚波长光学等方面有着潜在应用价值。但是这些表面弯曲等离激元束都是在金属表面(二维平面)产生的，衰减速度快，传播距离短，不易于控制及应用。
[0004]近期研究者在金属膜上制备单缝，再在金属表面制备35个非周期凹槽结构，应用单缝激发SPPs，通过金属表面凹槽结构转换为空间艾里光束(Guan C，Ding M, Shi J, etal.Experimental observat1n and analysis of all-fiber plasmonic double Airybeams [J].0ptics express, 2014, 22(15): 18365-18371.)。艾里光束是一种特殊弯曲光束，它的传播轨迹为抛物线y=cx2，c是常数，它在空间传播距离可达60 μπι，相对空间艾里光束，空间任意弯曲光束的光束轨迹更加多样，在更多领域有着更多的潜在应用。且空间艾里光束在制备时需在金属表面制备凹槽结构，需要用到离子束刻蚀(FIB)仪器，实验设备要求高，成本大。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种空间任意弯曲光束产生器的结构与制备方法。
[0006]本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
一种空间任意弯曲光束产生器的结构，所述结构为金属矩形块/ 二氧化硅/金属/ 二氧化硅的四层结构，所述四层结构的基底层为二氧化硅，基底层上蒸镀金属膜，金属膜上有两条缝隙，金属膜上面蒸镀二氧化硅膜，二氧化硅膜上表面有非周期金属矩形块，二氧化硅膜的厚度d为20?lOOnm，金属矩形块的长度L为200?400nm，金属矩形块的高度H为40?120nmo
[0007]优选地，所述结构二氧化娃膜的厚度d为60nm，金属矩形块的长度L为260nm，金属矩形块的高度H为80nm。
[0008]优选地，所述非周期金属矩形块的位置由关系式决定，其中，为空间任意弯曲目标曲线对应的相位函数，为两缝隙激发的SPPs经过金属矩形块后的相位函数;两相邻金属矩形块之间的距离满足函数关系，其中η为金属矩形块级数，X为金属矩形块坐标位置。
[0009]优选地，所述结构基底层二氧化娃的厚度m为1.1mm，折射率η为1.45。
[0010]优选地，所述基底上的蒸镀层金属膜的厚度h为100nm。
[0011]优选地，所述两条缝隙的缝宽w为130 nm，两缝隙的间距c为100 nm。
[0012]优选地，所述非周期金属矩形块至少有10个，其中第一个金属矩形块的宽b为130nm，高H为80 nm;后面金属矩形块的宽L为260nm,高H为80 nm。
[0013]优选地，所述金属为金或银。
[0014]优选地，所述结构用近场显微镜测量其光场强度分布。
[0015]—种上述任一种空间任意弯曲光束产生器的结构的制备方法，包括如下步骤:
S1:甩负胶:用甩胶机在清洗过的二氧化硅基底上甩500nm厚PMMA负胶，将甩胶后的基底放在150 0C的热板上烘3min，再在PMMA负胶上甩20nm厚的导电胶，得到样品I ；
S2:曝光、显影、定影:将步骤SI所述样品I用电子束曝光系统曝光，
然后放入去离子水中清洗，洗掉导电胶，再放入显影液、定影液中各浸泡60s，晾干，得到样品2;
S3:垂直蒸镀金属膜:将步骤S2所述样品2放入电子束真空蒸发镀膜机中垂直镀厚度h为I OOnm的金属膜，得到样品3;
S4:垂直蒸镀二氧化硅膜:在步骤S3所述的样品3上垂直镀厚度d为
20?10nm的二氧化硅膜;完成镀膜以后，冷却仪器，充氮后取出，得到样品4;
S5:除胶:将步骤S4所述样品4浸泡在丙酮溶液浸泡3h，去胶剥离，
吹干，得到样品5;
S6:甩正胶:用甩胶机在步骤S5所述样品5上再次甩300nm厚PMMA正胶;将甩胶后的样品5放在150°C的热板上烘3min后，然后在所述PMMA正胶上甩20nm厚的导电胶，得到样品6;
S7:再次曝光、显影、定影:用电子束曝光系统在步骤S6所述样品6表面套刻图形，曝光完成后放入去离子水中清洗，洗掉导电胶，然后放入显影液、定影液中各浸泡60s，得到样品7;
S8:再次垂直蒸镀金属膜:将步骤S7所述样品7放入电子束真空蒸发
镀膜机垂直镀高度H的金属80nm;完成镀膜以后，冷却仪器，充氮气后取出，得到样品8;
S9:再次除胶:将步骤S8所述样品8在丙酮溶液浸泡3h，去胶剥离，
吹干，即得到本发明的空间任意弯曲光束产生器的结构。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
I.本发明制备的金属矩形块、二氧化硅、金属、二氧化硅四层结构，通过金属膜上的两缝隙激发表面等离极化激元(SPPs)，沿金属膜上表面传播，通过特定位置的非周期金属矩形块散射到空间，形成空间任意弯曲光束。
[0017]2.本发明的方法通过在金属膜表面镀厚度为d的二氧化硅膜，避免了在金属表面刻凹槽，实验设备要求相对低，易于重复使用。
[0018]3.本发明结构产生空间任意弯曲光束，光束轨迹多样，应用广，在光学光纤，生物传感，光学捕获等方面有重要应用。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的空间任意弯曲光束产生器的结构的主视图。
[0020]图2是本发明的结构用COMSOL数值软件模拟的不同弯曲光束光场强度分布图。
[0021]图3是弯曲光束(f(y)= _aV)在y = 30μπι处截面谱线图。
[0022]图4是本发明的制备方法的流程图。
[0023]图5是本发明的结构中非周期金属矩形块位置关系曲线图。金属矩形块位置由关系式决定，其中，为空间任意弯曲目标曲线对应的相位函数，为两缝隙激发的SPPs经过金属矩形块后的相位函数;两相邻金属矩形块之间的距离满足函数关系，其中金属矩形块级数，X为金属矩形块坐标位置。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0025]实施例1:
如图1所示的本发明的空间任意弯曲光束产生器的结构的主视图。所述结构的基底选取二氧化娃材料(折射率η = 1.45)，其厚度m =1.1 mm;基底上的蒸镀层金属膜(金)，其厚度h = 200 nm;金属膜左侧有两条缝隙，其缝宽w = 130 nm，两缝隙间距c = 100 nm;金属膜上面的蒸镀层二氧化硅，其厚度d为60nm; 二氧化硅膜上表面特定位置有21个非周期金属矩形块，其中第一个金属矩形块宽b = 130 nm，高H = 80 nm;后面20个金属矩形块宽L=260nm,高H = 80 nm。
[0026]如图5所示的本发明的结构中非周期金属矩形块位置关系曲线图。金属矩形块位置由关系式决定，其中，为空间任意弯曲目标曲线对应的相位函数，为两缝隙激发的SPPs经过金属矩形块后的相位函数;两相邻金属矩形块之间的距离满足函数关系，其中η为金属矩形块级数，X为金属矩形块坐标位置。
[0027]如图4所示的本发明的任意弯曲光束产生器的结构的制备流程图，包括以下步骤:S1:甩负胶:用甩胶机在清洗过的二氧化硅基底上甩500nm厚PMMA负胶，将甩胶后的基底放在150 0C的热板上烘3min，再在PMMA负胶上甩20nm厚的导电胶，得到样品I ；
S2:曝光、显影、定影:将步骤SI所述样品I用电子束曝光系统曝光，
然后放入去离子水中清洗，洗掉导电胶，再放入显影液、定影液中各浸泡60s，晾干，得到样品2;
S3:垂直蒸镀金属膜:将步骤S2所述样品2放入电子束真空蒸发镀膜机中垂直镀厚度h为I OOnm的金属膜，得到样品3; S4:垂直蒸镀二氧化硅膜:在步骤S3所述的样品3上垂直镀厚度d为
20?10nm的二氧化硅膜;完成镀膜以后，冷却仪器，充氮后取出，得到样品4;
S5:除胶:将步骤S4所述样品4浸泡在丙酮溶液浸泡3h，去胶剥离，
吹干，得到样品5;
S6:甩正胶:用甩胶机在步骤S5所述样品5上再次甩300nm厚PMMA正胶;将甩胶后的样品5放在150°C的热板上烘3min后，然后再在所述PMMA正胶上甩20nm厚的导电胶，得到样品6;
S7:再次曝光、显影、定影:用电子束曝光系统在步骤S6所述样品6表面套刻图形，曝光完成后放入去离子水中清洗，洗掉导电胶，然后放入显影液、定影液中各浸泡60s，得到样品7;
S8:再次垂直蒸镀金属膜:将步骤S7所述样品7放入电子束真空蒸发
镀膜机垂直镀高度H的金属80nm;完成镀膜以后，冷却仪器，充氮气后取出，得到样品8;
S9:再次除胶:将步骤S8所述样品8在丙酮溶液浸泡3h，去胶剥离，
吹干，即得到本发明的空间任意弯曲光束产生器的结构。
[0028]本发明的空间任意弯曲光束产生器的结构，当特定波长的光波垂直于结构背面入射，金属膜上的两缝隙可激发表面等离极化激元(SPPs)，沿金属膜上表面传播，通过特定位置的非周期金属矩形块散射到空间，形成空间弯曲光束。其中第一个金属矩形块，起到了增强金属表面SPPs传播的目的。
[0029]图2是用COMSOL数值软件模拟所设计结构的不同弯曲光束光场强度分布图；图中黑线表示其强度分布的拟合曲线f(y): (a) f(y) = -Biy1-25^b) f (y) = -a2y2，(c) f (y)=_a3y3，(d) f(y) = _a4y4，其中ai = 0.03，a2 =0.005，a3 =0.0003和a4 =0.0004。
[0030]图3是弯曲光束(f(y) = -a2y2)在y = 30μπι处截面谱线图；其中“single slit”谱线对应结构是金属膜上有单个缝隙，金属膜表面有20个非周期凹槽；“two slits andrectangle”谱线对应金属膜上有两条缝隙，且在距离缝隙上方d = 60 nm处有21个非周期金属矩形块，即本发明的结构。由图可见，本发明的结构，产生的弯曲光束强度较大。
[0031]实施例2:
实施例2的制备方法与实施例1相同，区别之处仅在于:二氧化硅基底上的蒸镀层金属膜为银，二氧化硅膜层上蒸镀的金属矩形块为银块。
[0032]实施例3:
实施例3的制备方法与实施例1相同，区别之处仅在于:金属膜上面的蒸镀层二氧化硅，其厚度d为20nm; 二氧化硅膜上表面特定位置有10个非周期金属矩形块，其中第一个金属矩形块宽b = 130 nm，高H = 80 nm;后面20个金属矩形块宽L=200nm,高H =40 nm。
[0033]实施例4:
实施例4的制备方法与实施例1相同，区别之处仅在于:金属膜上面的蒸镀层二氧化硅，其厚度d为10nm; 二氧化硅膜上表面特定位置有21个非周期金属矩形块，其中第一个金属矩形块宽b = 130 nm，高H = 80 nm;后面20个金属矩形块宽L=400nm,高H =120 nm。
[0034]本发明制备的金属矩形块/二氧化硅/金属/ 二氧化硅四层结构，通过金
属膜上的两缝隙激发表面等离极化激元(SPPs)，沿金属膜上表面传播，通过特定位置的非周期金属矩形块散射到空间，形成空间任意弯曲光束;本发明的方法通过在金属膜表面镀厚度为d的二氧化硅膜，避免了在金属表面刻凹槽，实验设备要求相对低，易于重复使用;本发明结构产生空间任意弯曲光束，光束轨迹多样，应用广，在光学光纤，生物传感，光学捕获等方面有重要应用。
[0035]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于:所述结构为金属矩形块、二氧化硅、金属、二氧化硅的四层结构，所述四层结构的基底层为二氧化硅，基底层上蒸镀金属膜，金属膜上有两条缝隙，金属膜上面蒸镀二氧化硅膜，二氧化硅膜上表面有非周期金属矩形块，二氧化娃膜的厚度d为20?10nm，金属矩形块的长度L为200?400nm，金属矩形块的高度H为40?120nm。2.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于:所述结构二氧化娃膜的厚度d为60nm，金属矩形块的长度L为260nm，金属矩形块的高度H为80nmo3.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于:所述非周期金属矩形块的位置由关系式决定，其中，为空间任意弯曲目标曲线对应的相位函数，为两缝隙激发的SPPs经过不同级数金属矩形块后的相位函数;两相邻金属矩形块之间的距离满足函数关系，其中η为金属矩形块级数，X为金属矩形块坐标位置。4.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于:所述结构基底层二氧化娃的厚度m为1.1 mm，折射率η为1.45。5.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于:所述基底上的蒸镀层金属膜的厚度h为100 nm06.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于:所述两条缝隙的缝宽w为130 nm，两缝隙的间距c为100 nm。7.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于: 所述非周期金属矩形块至少有10个，其中第一个金属矩形块的宽b为130 nm，高H为80 nm;后面金属矩形块的宽L为260nm,高H为80 nm。8.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于: 所述金属为金或银。9.根据权利要求1所述的空间任意弯曲光束产生器的结构，其特征在于: 所述结构用近场显微镜测量其光场强度分布。10.—种权利要求1 - 9中任一种空间任意弯曲光束产生器的结构的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: S1:甩负胶:用甩胶机在清洗过的二氧化硅基底上甩500nm厚PMMA负胶，将甩胶后的基底放在150 0C的热板上烘3min，再在PMMA负胶上甩20nm厚的导电胶，得到样品I ； S2:曝光、显影、定影:将步骤SI所述样品I用电子束曝光系统曝光，然后放入去离子水中清洗，洗掉导电胶，再放入显影液、定影液中各浸泡60s，晾干，得到样品2; S3:垂直蒸镀金属膜:将步骤S2所述样品2放入电子束真空蒸发镀膜机中垂直镀厚度h为I OOnm的金属膜，得到样品3 ； S4:垂直蒸镀二氧化硅膜:在步骤S3所述的样品3上垂直镀厚度d为20?10nm的二氧化硅膜;完成镀膜以后，冷却仪器，充氮后取出，得到样品4; S5:除胶:将步骤S4所述样品4浸泡在丙酮溶液浸泡3h，去胶剥离，吹干，得到样品5; S6:甩正胶:用甩胶机在步骤S5所述样品5上再次甩300nm厚PMMA正胶;将甩胶后的样品5放在150 0C的热板上烘3min后，然后在所述PMMA正胶上甩20nm厚的导电胶，得到样品6 ； S7:再次曝光、显影、定影:用电子束曝光系统在步骤S6所述样品6表面套刻图形，曝光完成后放入去离子水中清洗，洗掉导电胶，然后放入显影液、定影液中各浸泡60s，得到样品 7； S8:再次垂直蒸镀金属膜:将步骤S7所述样品7放入电子束真空蒸发镀膜机垂直镀高度H的金属80nm;完成镀膜以后，冷却仪器，充氮气后取出，得到样品8; S9:再次除胶:将步骤S8所述样品8在丙酮溶液浸泡3h，去胶剥离，吹干，即得到空间任意弯曲光束产生器的结构。
【文档编号】G02B5/00GK106019431SQ201610533308
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】张中月, 李辉, 王刚
【申请人】陕西师范大学