[發明專利]一種亞波長高折射率介質孔金屬結構透鏡

無效

• 申請號: 200910089256.3
• 申請日: 2009-07-10
• 公開（公告）號: CN101604034A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 周崇喜;陳素娟;邱傳凱
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 成金玉;盧 紀

技術領域

本發明為一種透鏡結構，具體地說是一種能實現高衍射效率的亞波長高折射率介質孔金屬結構透鏡。

背景技術

1998年，Ebbessen等人發現：當光通過亞波長金屬孔陣列時，其零階透射光譜在某些波長的透射率數值比經典孔徑理論地期望值大幾個數量級，這項發明引起了人們極大的興趣，對異常透射現象的研究也隨便成為熱潮，此時的研究對象主要集中于二維周期性排列的孔陣列和單個亞波長金屬孔，所有與異常透射有關的因素：金屬結構本身的幾何形狀，材料，結構大小，相對位置，入射光的頻率和偏振方向，周期性排列方式，以及亞波長結構周圍介質種類等一一被揭露。國內陳艷中等人首先針對這種異常透射現象提出了三維亞波長金屬結構透鏡，但是這種結構透鏡的衍射效率不高，主要是由于出瞳波前不夠連續，以至于二階衍射斑較大，衍射效率和成像質量都大大降低。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對現有亞波長金屬透鏡出射波前不連續導致的衍射效率不高問題，提供一種通過用高折射率介質孔代替空氣孔的方法來提高衍射效率的亞波長高折射率(大于2)介質孔金屬結構透鏡。

本發明的技術解決方案是：一種亞波長高折射率介質孔金屬結構透鏡，所述的透鏡由均勻厚度的金屬板中鑲嵌折射率大于2的高折射率介質方孔，并在透鏡的入射面和出射面分別鍍上一層增透膜構成，所述透鏡制作如下：

(1)確定所述透鏡的入射波長λ、基底材料、金屬板材料、填充入的高折射率介質材料和增透膜材料。

入射波長根據工作波長來確定，填充高折射率材料，基底材料以及增透膜材料根據入射波長來確定，原則是要使入射波長透過，金屬材料選擇可以激發表面等離子體的材料：金、銀、銅、鋁。

(2)確定基底的口徑為L(因此所形成的金屬板的口徑也為L)，金屬板的厚度為h，將基底放置于xy平面且中心在原點處，假設入射光垂直于基底沿z軸正方向入射；

(3)在金屬板上坐標(x，y)處制作邊長為a的介質方孔，根據公式(1)得到該點出射面的相位與介質方孔邊長之間的關系為：

其中φ(x，y)表示該點的相位，λ表示入射波長，h表示金屬板的厚度，a表示金屬板上介質方孔的邊長，通過在金屬板上制作介質孔，完成該點處所需的相位調制；

(4)由所設計的透鏡焦距f，通過衍射理論求得表面任意點(x，y)處的相位φ，該點相位于該點位置以及入射波長之間的關系為：

其中m為任意整數，選取m值，使得位相φ(x，y)處于0到2π之間；

(5)在金屬板口徑L上進行取樣，根據步驟(4)中的公式(2)計算得到每個抽樣點的相位延遲，然后根據步驟(1)中的公式(1)計算得到每一取樣點所對應高折射率介質方孔的大小，從而在金屬板中嵌入不同大小的高折射率介質孔結構，并在兩面鍍上一層增透膜，從而完成能實現高衍射效率的高折射率介質孔金屬結構透鏡制作。

所述步驟(1)中的金屬板材料為金、銀、銅或鋁；所述步驟(1)中的填充介質材料以及基底材料為：紅外材料包括硅或鍺；或可見光材料，包括石英或者玻璃；所述步驟(1)中的增透膜為紅外材料，包括硅或鍺，ZnS，由高折射率介質材料決定。

所述步驟(2)中的金屬板的厚度為0.3λ～2λ，其中λ為入射波長。

所述步驟(3)中的金屬方孔大小變化范圍在0.13λ～0.5λ。所述步驟(3)和步驟(5)中的高折射率介質孔的邊長小于入射波長，即為亞波長量級。所述步驟(4)中透鏡上各取樣點按正方形排布、或平方點陣排布、可旋轉對稱式排布、或按照隨機排布以及其他非規則排布，只要孔的深度在位置(x，y)滿足(1)式和(2)式要求，并且孔與孔之間不發生交疊即可。

本發明與現有技術相比所具有的優點是：

(1)本發明所制作的高折射率介質孔金屬結構透鏡，由于使用的是高折射率介質孔結構，出射波前變的連續，所以能獲得高的衍射效率。

(2)本發明所制作的透鏡為衍射型透鏡，所有孔結構為亞波長結構，只有零級衍射光透過，所以旁瓣很小，可實現好的成像質量。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的結構主視示意圖；

圖2為圖1的結構側面示意圖；

圖3本發明的金屬板中高折射率介質孔的結構示意圖；

圖4為實施實例1中高折射率介質孔的大小與位相延遲的關系圖；

圖5為本發明實施實例1的出瞳波前；

圖6為現有的為空氣孔金屬結構透鏡的出瞳波前；

圖7為本發明實施例2的透鏡的結構主視示意圖。

具體實施方式