一种等离子体平板透镜及其近场聚焦方法

摘要

本发明提供一种等离子体平板透镜，包括透光衬底和制作在所述衬底上的金属薄膜，所述金属薄膜加工有左旋的或右旋的螺旋结构；所述螺旋结构满足：(0≤φ≤2π，n＝1，2，3…，k＝1，2，3…)其中rn(φ)为极坐标系中第n圈螺旋结构在相位为φ处到中心的距离；rn0为在螺旋结构的每一圈中到中心最小的距离，λsp为所述金属薄膜的表面等离子体波长。本发明制备工艺与现有工艺兼容、易于集成、成本低；不需要将光源的中心对准透镜结构的中心，使用起来更加方便、简单，并且易于制作成透镜阵列；能够突破衍射极限，并且具有非常大的焦深；焦点处的场强可以通过调节螺旋结构的形状和尺寸来控制。

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离子体激发、近场聚光技术领域，具体地说，本发 明涉及一种等离子体平板透镜及其近场聚焦方法。

背景技术

随着波导、光通讯的发展，对信息的处理能力的要求越来越高，精度 要求也越来越高，使光学器件向微型化、集成化方向发展。然而传统光学 系统分辨率都受到了衍射极限的限制，由于单纯通过提高数值孔径，分辨 率很难有大的提高，近几年发展起来的利用近场光的聚焦可以有效地突破 衍射极限，实现超分辨焦点尺寸。

近场聚焦是利用贵金属的表面等离子体相互作用来实现的。表面等离 子体(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是指在金属表面存在的自由振动 的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，它具有场 增强、亚波长约束等特性。这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作 用构成了具有独特性质的SPPs。通过改变金属表面的结构，表面等离子体 的性质，特别是与光的相互作用的性质，也随之变化。表面等离子体为发 展新型光子器件、宽带通讯系统、尺度远小于现在能够达到水平的微小光 子回路、新型光学传感器以及新型超衍射测量技术提供了可能。

2005年，利用表面等离子体亚波长约束的特性，X.Zhang等人提出了 基于线性偏振光、金属圆环结构的等离子体透镜(Plasmonic lens)。由于 相位匹配问题，该等离子体透镜聚焦点为位于中心旁边的两个分瓣，为了 克服这一缺陷，近年来发展了用径向偏振光作为光源，这样可以获得尺寸 在亚波长的较强的聚焦点。但是径向偏振光作为光源的技术一般要求有精 确度很高纳米微移动台及微区探测传感装置，以使径向偏振光的中心与纳 米圆环结构的中心严格对准，这势必会大大提高设备的成本，同时造成操 作上复杂度，因此限制了它在实际中的应用。并且，由于一束径向偏振光 的中心只能对准一个结构的中心，如果是有很多个这样的结构组成的阵 列，那么那束光的中心无法与其它的结构中心同时对准，因此这种径向偏 振光聚焦技术无法在阵列聚焦结构中获得应用。

另外，现有的等离子透镜只能达到在衍射极限水平上的聚焦，并且难 以获得较大焦深。

综上所述，当前迫切需要一种能够突破衍射极限、具有较大焦深、可 以应用于阵列聚焦、且能够降低设备成本和操作复杂度的等离子体平板透 镜及其近场聚焦方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够突破衍射极限、具有较大焦深、可以应 用于阵列聚焦、且能够降低设备成本和操作复杂度的等离子体平板透镜及 其近场聚焦方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种等离子体平板透镜，包括透光 衬底和制作在所述衬底上的金属薄膜，所述金属薄膜加工有左旋的或右旋的 螺旋结构，所述螺旋结构应当满足：

$r_n\left(\phi \right)=r_{n0}+\frac{\phi }{2\pi }{\mathrm{k\lambda }}_{\mathrm{sp}},$(0≤φ≤2π，n＝1，2，3…，k＝1，2，3…)

其中r_n(φ)为极坐标系中第n圈螺旋结构在相位为φ处到中心的距离；r_n0为在螺旋结构的每一圈中到中心最小的距离，λ_sp为所述金属薄膜的表面等离 子体波长。

其中，所述螺旋结构的缝宽为50nm-400nm。

其中，所述螺旋结构的圈数至少为1。

其中，所述螺旋结构的第一圈的最小半径为500nm-10μm。

其中，所述金属薄膜的厚度为100nm-500nm。

本发明还提供了一种利用上述等离子体平板透镜进行近场聚焦的方法， 包括：

1)生成旋转方向与所述等离子体平板透镜上螺旋结构的旋转方向相反 的圆偏振光；

2)将步骤1)生成的所述圆偏振光从所述衬底入射到所述等离子体平板 透镜上，在平板透镜的出射方向得到近场聚焦的光场。

其中，所述步骤1)中，所述圆偏振光的波长为380nm-760nm。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明制备工艺与现有工艺兼容、易于集成、成本低。

2、本发明不需要将光源的中心对准透镜结构的中心，使用起来更加方 便、简单，并且易于制作成透镜阵列。

3、本发明能够突破衍射极限，并且具有非常大的焦深。

4、本发明焦点处的场强可以通过调节螺旋结构的形状和尺寸来控制。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的基于金属薄膜螺旋结构的平板透镜的示 意图；

图2为本发明一个实施例中，在平板透镜出射方向上聚焦光斑的强度 分布图，图中z的负方向为光的传播方向，薄膜在xy平面内；

图3为本发明的近场聚焦方案中在出射方向距离出射面250nm处的 相对强度随螺旋结构缝宽、半径、圈数变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种等离子体平板透镜。如图1所示， 该等离子体平板透镜包括透光衬底(即基底)和制作在所述衬底上的金属薄 膜。该金属薄膜上被加工出螺旋结构。图1中，左图是本实施例平板透镜的 主视图，右图是所述平板透镜的仰视图。主视图清楚地示出本实施例平板透 镜的层次结构，并示出了光的入射方向，仰视图清楚地示出了金属薄膜上的 螺旋结构。

本实施例中，要求衬底的材料必须有很好透光性，同时还必须是能够承 受一定激光功率、稳定可靠的材料。在优选实施例中，衬底材料可以是透光 性较好的SiO₂，衬底厚0.5mm。

本实施例中，金属薄膜要求表面非常平整，薄膜的颗粒度不能过大以致 表面等离子体的传播特性受到影响，金属材料为易于激发表面等离子体且表 面等离子体有一定传播距离的贵金属，如金、银、铝、铜等。在优选实施例 中，选择金属银薄膜，厚度为300nm。螺旋结构的缝宽为250nm(缝宽可在 50nm-400nm间选择)。螺旋结构的圈数为5圈，螺旋结构最内侧的半径为 4μm，螺旋结构的螺距是641nm(即1个表面等离子体波长)。

上述等离子体平板透镜的制备过程如下：1)利用磁控溅射的方法在 0.5mm厚的衬底上镀上一层厚度为300nm的金属银薄膜，其中的具体参数 为真空压强P₀＝3.2×10^-5Pa，溅射压强为P＝0.46Pa，功率50w，基底不加热。

2)采用聚焦离子束加工的方法将所需要的螺旋结构加工到金属银薄膜 上，获得设计的平板透镜。

本发明中，金属薄膜上的螺旋结构应当满足如下公式：

$r_n\left(\phi \right)=r_{n0}+\frac{\phi }{2\pi }{\mathrm{k\lambda }}_{\mathrm{sp}},$(0≤φ≤2π，n＝1，2，3…，k＝1，2，3…)

其中r_n(φ)为极坐标系中第n圈螺旋结构在相位为φ处到中心的距离；r_n0为在螺旋结构的每一圈中到中心最小的距离，λ_sp为金属表面的等离子体波 长。当金属薄膜为金属银薄膜时，λ_sp为金属银表面的等离子体波长。

本发明中，螺旋结构的缝宽优选范围是50nm-400nm。经研究发现，如 果缝宽小于50nm时，会导致从平板透镜透射过去的光能量过小，进而导致 聚焦点的强度明显减弱。当缝宽大于400nm时，光通过狭缝后仍可以传播很 长距离，这样会严重影响聚焦效果。因此，将缝宽优选范围确定为 50nm-400nm，如果取值在该范围外，本发明的平板透镜虽然也能使用，但 其性能会明显降低。

本发明中，螺旋结构的圈数至少为1。圈数可以是超过1的整数，一般 来说，圈数最大为10圈。圈数大于10时，由于内侧螺旋对外侧传播过来的 等离子体波的散射、反射等原因，会使得最外面的能量很难传播到中间，导 致平板透镜的性能降低。同时，螺旋结构的圈数一般不能为非整数。如果圈 数采用非整数，会影响聚焦点处能量分布的对称性，严重影响光斑质量。

本发明中，螺旋结构的第一圈的最小半径的优选范围是500nm-10μm。 由于表面等离子体波在传播过程中是衰减的，使得它有一定的传播长度。 当第一圈的最小半径小于500nm时，等离子体波传到中间后会继续传播到 对面的狭缝，被反射回来的强度仍比较大，影响聚焦效果；而半径大于 10μm时，等离子体波传到中间位置时强度已经很小，会导致聚焦点的强 度降低。因此，本发明将螺旋结构的第一圈的最小半径的优选范围确定为 500nm-10μm，如果取值在该范围外，本发明的平板透镜虽然也能使用，但 其性能会明显降低。

本发明中，金属薄膜的厚度的优选范围是100nm-500nm。厚度大于 500nm时，由于光的透射率很小，影响聚焦强度，厚度小于100nm时，由 于光可以直接穿透金属薄膜，使平板透镜的聚光功能大大减弱。因此，本发 明将金属薄膜的厚度的优选范围确定为100nm-500nm。如果取值在该范围 外，本发明的平板透镜虽然也能使用，但其性能会明显降低。

根据本发明的另一实施例，还提供了一种利用上述离子体平板透镜进行 近场聚焦的方法，包括下列步骤：

1、采用波长为660nm的半导体激光先经过偏振器得到线偏振光；

2、所述线偏振光通过1/4玻片获得右(左)旋的圆偏振光；

3、所述右(左)旋的圆偏振光再经过扩束器后照射到具有左(右)旋 的金属薄膜螺旋结构的平板透镜上，从而形成近场聚焦。具体地，入射光先 经过薄膜衬底，然后经过加工有螺旋结构的金属薄膜，最后在金属薄膜的后 表面实现聚焦。并且，本步骤中，圆偏振光的旋转方向必须与平板透镜上螺 旋结构的旋转方向相反。

在这个近场聚焦的方法中，光源中心不需要对准平板透镜的中心。在平 板透镜的出射方向采用共聚焦显微镜可以观察聚焦情况。图2示出了波长是 660nm的右旋圆偏振光作为入射光照射到加工有5圈左旋螺旋结构的平板 透镜上时，在出射方向的聚焦情况。其中金属薄膜的厚度为300nm，螺旋 结构的缝宽为250nm。

本发明中，入射的圆偏振光可以是380nm-760nm范围内的任意波长的 可见光。

本发明采用右(左)旋圆偏振光，照射到加工有多圈左(右)旋螺旋结 构的贵金属薄膜上，通过选择合适的螺旋结构尺寸和金属薄膜厚度，优化相 位匹配条件，在平板透镜的出射方向形成零阶贝塞尔函数形式的光场分布， 保证了聚焦有较大焦深和在焦点处较高的强度，实现有效聚光的目的。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明衬底材料为通讯和半导体工艺中常用衬底石英，方便和现有 工艺、系统的集成。

2、本发明中金属薄膜可采用磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀等方法制 备，镀膜方法简单。

3、本发明不需要将光源的中心对准透镜结构的中心，使用起来更加方 便、简单，并且易于制作成透镜阵列。

4、本发明获得的聚焦点的半高全宽为0.3λ，小于衍射极限，并且具有 非常大的焦深，更加方便于实际的应用。

5、本发明焦点处的场强可以通过调节螺旋结构的厚度、缝宽、圈数来 控制。在一定范围内，厚度越薄、缝宽越大、圈数越多焦点处的场强越强。 如图3示出了本发明的近场聚焦方案中，在出射方向距离出射面250nm处 的相对强度随螺旋结构缝宽、最小半径、圈数变化的示意图。

上述的实施例仅用来说明本说明，它不应该理解为是对本说明的保护范 围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本实施例精 神和原理下，对本实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述 的各种改进均在本专利的保护范围之内。