[發(fā)明專利]一種基于表面等離激元的四象限探測(cè)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610083535.9
• 申請(qǐng)日: 2016-02-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105698677B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王家園
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/00
• 分類號(hào): G01B11/00
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 劉勇

一種基于表面等離激元的四象限探測(cè)器，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。四象限光電探測(cè)器設(shè)有金屬膜，在金屬膜表面設(shè)有一組邊長(zhǎng)為a的亞波長(zhǎng)正方形凹槽，一般要求a約等于半波長(zhǎng)以便有較高的耦合效率。各凹槽的位置位于一個(gè)M×N的正方形網(wǎng)格的格點(diǎn)位置，M表示網(wǎng)格的列數(shù),N表示網(wǎng)格的行數(shù)，M可等于N，M和N的選取要求使器件的尺寸和光斑尺寸可以比擬。因此每個(gè)凹槽的中心位置記為r_m,n＝max+nay,x和y是直角坐標(biāo)系的x和y方向單位矢量，m和n是任何絕對(duì)值不大于M的整數(shù)，某個(gè)凹槽的位置記為(m,n)。反應(yīng)速度快、暗電流小。器件可以制備在幾十納米厚度的金屬薄膜上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺度小、利于器件集成化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及四象限探測(cè)器，尤其涉及一種基于表面等離激元的四象限探測(cè)器及其對(duì)光束位置進(jìn)行探測(cè)的方法。

背景技術(shù)

表面等離激元SPP(Surface Plasmon Polariton)是一種局域在金屬/介質(zhì)界面上，并沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶拍Ｊ剑姶艌?chǎng)強(qiáng)度在垂直于金屬表面的方向上指數(shù)衰減；并且沿傳播方向的波數(shù)大于同一頻率下光子在該介質(zhì)中自由傳播的波數(shù)。因此若以表面等離激元作為信號(hào)載體，將非常適合實(shí)現(xiàn)二維的全光、電光集成；其次，由于金屬表面的強(qiáng)約束，表面等離激元的電磁場(chǎng)在空間上的延展主要取決于金屬微納米結(jié)構(gòu)尺度而不是波長(zhǎng)，從而有能力突破衍射極限，縮小光路中器件的尺寸。因此普遍認(rèn)為表面等離激元將在納米光子學(xué)領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。基于表面等離激元的各種器件的研究以及相關(guān)理論研究成為近年來(lái)的熱點(diǎn)，吸引著眾多科研人員的關(guān)注。

另外，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束位置測(cè)量在諸多應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要，比如激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)武器、自由空間光通信等。在各種位置傳感器中，四象限探測(cè)器是應(yīng)用最普遍的一種。傳統(tǒng)的四象限探測(cè)器是用十字叉線均勻?qū)ΨQ地將一個(gè)圓形光敏面分成四部分,因此它實(shí)際上是由四個(gè)性能完全一致、緊密靠在一起的光電探測(cè)器組成，然而其典型尺寸在毫米甚至厘米量級(jí)，顯然不適用在微納尺度上的光子學(xué)器件的集成。因此通過(guò)發(fā)現(xiàn)新原理和新方法，實(shí)現(xiàn)小尺度的表面等離激元四象限探測(cè)器，成為表面等離激元器件的一個(gè)研究難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種反應(yīng)速度快、暗電流小，可以制備在幾十納米厚度的金屬薄膜上，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺度小、非常利于器件集成化的基于表面等離激元的四象限光電探測(cè)器及其對(duì)光束位置進(jìn)行探測(cè)的方法。

本發(fā)明所述一種基于表面等離激元的四象限光電探測(cè)器，其特征在于，設(shè)有金屬膜，在金屬膜表面設(shè)有一組邊長(zhǎng)為a的亞波長(zhǎng)正方形凹槽，各凹槽的位置位于一個(gè)M×N的正方形網(wǎng)格的格點(diǎn)位置，M表示網(wǎng)格的列數(shù)，N表示網(wǎng)格的行數(shù)，M可等于N，每個(gè)凹槽的位置記為r_m,n＝max+nay,x和y是直角坐標(biāo)系x和y方向單位矢量，m和n是任何絕對(duì)值不大于M的整數(shù)，某個(gè)凹槽的位置記為(m,n)。

所述金屬膜可為金膜、銀膜、鋁膜等金屬膜。

所述金屬膜的厚度可為40～70nm；所述正方形凹槽的邊長(zhǎng)可為300～500nm，深度可為30～60nm。

本發(fā)明所述對(duì)光束位置進(jìn)行探測(cè)的方法，可采用下述兩種技術(shù)方案：

第一技術(shù)方案：對(duì)光束位置進(jìn)行探測(cè)的方法，采用所述基于表面等離激元的四象限光電探測(cè)器，包括以下步驟：

1)按照波動(dòng)光學(xué)，設(shè)計(jì)凹槽在網(wǎng)格上的排列位置，使激發(fā)的表面等離激元能實(shí)現(xiàn)四個(gè)焦點(diǎn)，分別位于±x和±y軸上，且焦距相等；

2)調(diào)整器件和入射高斯光束的相對(duì)位置：要求入射光垂直金膜表面；要求光束腰的位置和金膜表面重合；要求偏振方向沿著正方形凹槽對(duì)角線方向；

3)采集四個(gè)焦點(diǎn)位置的表面等離激元強(qiáng)度，類比標(biāo)準(zhǔn)的四象限探測(cè)器算法,由焦點(diǎn)的強(qiáng)度I_i，其中i＝1,2,3,4，計(jì)算出一組包含光束位置信息的相對(duì)位置坐標(biāo)(χ,ψ)。