[發明專利]一種基于表面等離子激元的薄膜型光準直器

無效

• 申請號: 201310141709.9
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103235417A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 崔艷霞;張收;李國輝;韓國華;郝玉英;張鋒;何賽靈
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;G02F1/01
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 戎文華

技術領域

本發明涉及光子學領域的一種光準直器，更詳而言，是一種利用金屬介質交替膜與金屬表面光柵的復合結構所激發的表面等離子激元（Surface?Plasmon?Polaritons）減小入射高斯光束的發散角以獲得接近平面光形式傳播的出射光束的薄膜型光準直器。

背景技術

光準直器的功能在于將遠場發散角較大的光束變為發散角較小的光束，使之接近平面光，在光纖技術、激光技術、光電檢測、發光二極管照明、光學成像等領域有著廣泛的應用。目前，公知的光準直器件由透鏡組或非球面光學元件等傳統組件構成。例如，現已公開的美國專利US4995709（optical?collimator）、?US7580192（Collimation?lens?system?for?led）和中國專利CN102081233A?(一種綠光準直、擴束光學系統)、CN101363922A(一種實現光束準直和均勻化的方法及光學器件)，這些裝置體積較大，集成性較差。

針對上述問題，學者們提出使用微納光子器件對光束進行準直，以提高器件的集成性。參見圖1所示，圖1為現有技術中基于表面等離子激元的光準直原理示意圖，該光準直原理由法國學者H.?J.?Lezec和T.?W.?Ebbesen于2002年提出，參見美國專利US7057151?(Optical?transmission?apparatus?with?directionality?and?divergence?control)?和文獻Science,?vol.?297,?p820-822,?2002。具體地，首先在厚度為亞波長量級的金屬薄膜刻蝕一個導通光的通孔（或狹縫），再在該通孔（或狹縫）出射端口周圍的金屬膜表面刻蝕光柵，該結構改善了從通孔出射的光束的發散角。該器件的工作原理是：金屬與介質界面上存在一種由于電子疏密分布引起的電磁振蕩模式，稱為表面等離子激元；當光照射到金屬薄膜的入射面上后通過激發表面等離子激元將入射光耦合進入通孔，光通過通孔傳播到達出射面，出射面上所刻的表面光柵將再次激發表面等離子激元；當光柵激發的表面波與從通孔出射的表面波相互作用滿足波失匹配條件時，即可以獲得向遠場輻射的發散角很小的準直光束。

波失匹配公式如下：

k_sp=?k₀?sin?θ?±?m*2π/p????????????????????(1)

其中，k_sp是所激發的表面波的波矢，k₀是真空波矢，p是光柵周期，m是正整數。θ代表出射光方向與法線的夾角，當垂直出射時，θ?=?0。

還有一種獲得準直光的光準直器，參見圖2所示，圖2為2004年美國H.?K.?Kim等人提出的使用厚度不均勻的金屬薄膜上刻蝕金屬通孔陣列以獲得光準直效果的原理示意圖（美國專利US?20050161589）。2009年，中國Y.?Zhang等人將金屬通孔陣列和表面光柵結合起來，也獲得了定向傳播的出射光束(文獻J.?Appl.?Phys.,?vol.?105,?p113124,?2009)。

上述所有實現光準直效果的薄膜型表面等離子激元器件均需要在金屬薄膜上刻蝕至少一個通孔（圖1），有的器件則需要更多（圖2）。由于金屬通孔的尺度（直徑）遠小于波長，而金屬薄膜的厚度通常都在100?nm以上，在實際中制作這類結構相對困難，需要用到十分昂貴且加工效率低的大型設備（如聚焦離子束系統）。

另外，金屬通孔的尺度決定了其具有很低的光透過效率，需要在金屬薄膜的入射面上同時刻蝕有表面光柵，才能將足夠多的入射光耦合進入通孔，從而獲得效率可觀的透射光，然而這勢必提高了器件加工的成本。2010年，美國P.?Chen等人還通過修飾金屬薄膜的出射面提高了出射效率，即除了在出射端面上刻蝕表面光柵外，又在孔徑出射口附近引入一個諧振腔，最終提高了準直光的出射強度(文獻IEEE?Photonics?Journal,?vol.?2,?p8-17,?2010)。但是，這一器件結構更為復雜，需要使用套刻等制作工藝方可獲得。

此外，從金屬通孔發出的表面波與從出射光柵發出的表面波具有不同的分布和強度，為了使二者形成相長干涉以滿足波失匹配條件，需要精心調節出射面上距離通孔最近的光柵凹槽中心與通孔中心之間的間距（104），這又帶來了設計成本的提高。

發明內容