[發(fā)明專利]一種徑向偏振光下的長焦、緊聚焦表面等離激元透鏡

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410329187.X
• 申請日: 2014-07-10
• 公開（公告）號: CN104090332A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陸云清;呼斯楞;陸懿;許吉;王瑾
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;B82Y20/00
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種徑向偏振光激發(fā)下的長焦距、緊聚焦表面等離子體激元透鏡。

背景技術(shù)

表面等離子體激元(Surface?Plasmon?Polaritons,SPPs)是局域在金屬表面的一種電磁波模式，是在金屬-介質(zhì)界面上光和金屬表面的自由電子相互作用激發(fā)并耦合電荷密度起伏的電磁振蕩，具有近場增強(qiáng)、表面受限、短波長等特性，在納米光子學(xué)的研究中扮演著重要角色。基于SPPs的各種納米光子器件被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)納米全光集成回路的基礎(chǔ)。由于Spps具有短波長特性和很強(qiáng)的表面束縛性，能夠被聚焦成一個(gè)突破衍射極限的緊聚焦光斑。表面等離子體激元透鏡(Plasmonic?lens，PL)就是一種能夠有效激發(fā)和操控SPPs實(shí)現(xiàn)緊聚焦的亞波長納米光器件，在亞波長光學(xué)、超分辨成像、納米光刻、近場成像與探測、納米粒子操控等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)等離子體激元透鏡結(jié)構(gòu)，可以控制焦斑的尺寸，形狀和強(qiáng)度，近年來諸如狹縫-光柵型透鏡、同心環(huán)型透鏡、微孔陣列型透鏡等各種等離子體激元透鏡結(jié)構(gòu)被提出。

如何實(shí)現(xiàn)高能量效率的緊聚焦焦斑是等離子體激元透鏡設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問題。通常情況下，激發(fā)光束為線/圓偏振光時(shí)，光束只能在一個(gè)方向上激發(fā)Spps，效率較低。柱對稱矢量光束是振幅和相位都呈軸對稱分布的矢量光束，徑向偏振光是柱對稱矢量光束的一種，由于其偏振方向的特殊性，徑向偏振光獨(dú)特的聚焦特性引起了人們的大量研究。其中，徑向偏振光比均勻偏振分布的光可以被聚焦到更小的空間中。在強(qiáng)聚焦下，徑向偏振光會產(chǎn)生縱向分量，從而聚焦光斑在三維空間中呈現(xiàn)梭形。由于徑向偏振光電場分布的特殊性，可以從各個(gè)方向激發(fā)Spps，同時(shí)增加狹縫數(shù)，以增加照射面積，可提高激發(fā)效率，如Chen?W等人提出的PL透鏡(Chen?W,Abeysinghe?D?C,Nelson?R?L,et?al.Plasmonic?lens?made?of?multiple?concentric?metallic?rings?under?radially?polarized?illumination[J].Nano?letters,2009,9(12):4320-4325.)，入射光在同心狹縫形成的M-I-M結(jié)構(gòu)中激發(fā)Spps，并在透鏡表面?zhèn)鞑ィ谕哥R中心形成極值，但是由于其強(qiáng)度主要集中在透鏡表面，其應(yīng)用范圍也受到大大限制。Ruobing?Peng等人在這一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加環(huán)形狹縫和同心的溝槽，將激發(fā)的Spps散射到自由空間，通過干涉形成聚焦，實(shí)現(xiàn)了一種超長焦深，高分辨率透鏡，其焦距為2.1λ₀，半高寬(FWHM)為0.44λ₀，焦深為2.65λ₀(Peng?R,Li?X,Zhao?Z,et?al.Super-Resolution?Long-Depth?Focusing?by?Radially?Polarized?Light?Irradiation?Through?Plasmonic?Lens?in?Optical?Meso-field[J].Plasmonics,2013:1-6.)。

徑向偏振光能更高效的激發(fā)SPP獲得更佳的場局域增強(qiáng)效應(yīng)，進(jìn)一步優(yōu)化SPP透鏡生成突破衍射極限的高質(zhì)量焦場，同時(shí)能夠靈活調(diào)節(jié)焦距、焦深以及有效抑制旁瓣,在納米光刻、共聚焦顯微、光數(shù)據(jù)存儲、光鑷技術(shù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景(Dorn?R,Quabis?S,Leuchs?G.Sharper?focus?for?a?radially?polarized?light?beam[J].Physical?review?letters,2003,91(23):233901.Min?C,Shen?Z,Shen?J,et?al.Focused?plasmonic?trapping?of?metallic?particles[J].Nature?communications,2013,4.)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種新型表面等離子體激元透鏡結(jié)構(gòu)，在徑向偏振光激發(fā)下，突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)長焦距亞波長緊聚焦。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：

一種徑向偏振光下的長焦、緊聚焦表面等離激元透鏡，包括介質(zhì)襯底和位于介質(zhì)襯底上的金屬薄膜，在金屬薄膜中心蝕刻有一個(gè)T型微孔，微孔的周圍分布有周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)，所述周期性同心環(huán)結(jié)構(gòu)包括帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽以及外圍的同心環(huán)溝槽。

進(jìn)一步地，所述帶有調(diào)制相位功能的同心環(huán)溝槽為階梯型。

所述介質(zhì)襯底為入射端，金屬薄膜為出射端。