[發(fā)明專利]一種零角度入射的表面等離子體光學非球面柱透鏡

有效

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• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN106886066B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張蓓;劉雨;趙子琦;荊嘉瑋;閆鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B3/06
• 分類號: G02B3/06;G02B5/00
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提出一種零角度入射的表面等離子體(SPR)光學非球面柱透鏡，由兩個光學面組成：一個表面形貌為本發(fā)明設(shè)計的特殊光學非圓柱面，一個長方形光學平面。該耦合透鏡在平行于透鏡光學平面的橫截面為長方形。該耦合透鏡由高折射率材料組成，平行光由光學非圓柱面一側(cè)以垂直于長方形光學平面方向射入透鏡，經(jīng)光學非球面折射后聚焦于透鏡的長方形光學平面的中軸線，或聚焦于經(jīng)過長方形光學平面中軸線的法平面內(nèi)中軸線的平行線。當在該耦合透鏡的光學平面上鍍上表面等離子體金屬材料時，可在平行于透鏡光軸的零角度入射在透鏡的平面表面幾何平分線上激發(fā)表面等離子體。本發(fā)明提供了一種能夠在一條線上激發(fā)SPR的方式，像差小，價格低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種零角度入射的表面等離子體光學非球面柱透鏡。

背景技術(shù)

表面等離子體(Surface Plasmon Resonance，SPR)是在金屬和電介質(zhì)的界面上傳播的一種表面電磁波，在金屬/電介質(zhì)界面處的電場強度最大且在垂直于界面的法向上呈指數(shù)衰減。表面等離子體波的波矢量大于真空條件下的光波矢量，因此通常需要借助于其他手段來實現(xiàn)波矢的匹配從而激發(fā)SPR，常用的SPR耦合方法有電子耦合、光柵耦合、應(yīng)用最廣的Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)、以及在Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)上發(fā)展起來的“類三明治”多層結(jié)構(gòu)耦合。棱鏡結(jié)構(gòu)和“類三明治”多層結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)的區(qū)別，都必須滿足從高折射率介質(zhì)中入射且滿足SPR激發(fā)角的條件。當樣品在空氣中時最小的激發(fā)角在44°附近，當用于液態(tài)的生物樣品時需要的激發(fā)角大于70°。如何產(chǎn)生并耦合如此大的激發(fā)角，是SPR技術(shù)自始至終的技術(shù)核心也是最大的難點。當前高折射率型SPR耦合結(jié)構(gòu)主要有棱鏡式和油浸高NA顯微物鏡兩種。棱鏡式SPR結(jié)構(gòu)具有成本低、樣品夾持容易、而且能快速進行線掃描等優(yōu)點，缺點是必須使用大角度的三角式機械結(jié)構(gòu)，難以與其他光學技術(shù)兼容；油浸高NA顯微物鏡SPR結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于能夠沿法向零角度入射，因此機械架構(gòu)簡單且易與其他光學顯微技術(shù)兼容，缺點是由于其二維對稱性主要用于點掃描，難以用于線掃描。本發(fā)明提出了一種零角度入射的表面等離子體光學非球面柱透鏡，即具有油浸顯微物鏡類似于高NA、能夠采用零角度入射等特性，又具有棱鏡式SPR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、方便用于快速線掃描等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

目前廣泛采用的油浸物鏡型SPR耦合系統(tǒng)大多數(shù)為聚焦到一個直徑很小的點，難以實現(xiàn)快速線掃描。為解決這一問題，本發(fā)明提出了一種零角度入射的SPR光學非球面柱透鏡。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提出一種高數(shù)值孔徑的表面等離子體光學非球面柱透鏡，由兩個光學面組成，一個表面形貌為光學非圓柱面，一個表面為長方形光學平面。柱透鏡關(guān)于過長方形光學平面中軸線的法平面對稱，入射光垂直于長方形光學平面從光學非圓柱面入射。

本發(fā)明的表面等離子體光學非球面柱透鏡由在可見光范圍內(nèi)透明的高折射率材料組成，通常折射率在1.3到5之間，平行光由光學非圓柱面入射到表面等離子體光學非球面柱透鏡，經(jīng)光學非圓柱面折射后聚焦于透鏡的長方形光學平面的中軸線，或聚焦于經(jīng)過長方形光學平面中軸線的法平面內(nèi)中軸線的平行線；當聚焦在長方形光學平面的中軸線的平行線上時，表面等離子體光學非球面柱透鏡的長方形光學平面上需滴加一定厚度的匹配油以提高透鏡的數(shù)值孔徑，并能激發(fā)樣品的SPR。

所述表面等離子體光學非球面柱透鏡上垂直于光學平面截面的邊界曲線關(guān)于該截面中軸線對稱，以曲線頂點為原點，頂點切線為x軸建立平面直角坐標系，曲線上點的坐標(x(m)，y(m))由以下遞推公式給出:

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ