專利名稱：基于金屬納米縫的光束控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過調(diào)節(jié)金屬微納米縫結(jié)構(gòu)參數(shù)(縫寬)對輸入光波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)各種電磁波(光波)功能器件(偏折、聚焦、分光)的基于金屬納米縫的光束控制方法。
背景技術(shù)：
納米尺度的金屬微結(jié)構(gòu)有著非常奇異的光學(xué)性質(zhì)，這已經(jīng)為近幾年的大量研究結(jié)果所證實(shí)。對于這些奇異的光學(xué)現(xiàn)象，人們普遍認(rèn)為光與金屬微結(jié)構(gòu)作用所產(chǎn)生的表面等離子體激元在其中起著重要作用，并且各國的研究人員已經(jīng)對能突破衍射極限的表面等離子體激元器件進(jìn)行了初步研究。
現(xiàn)有的已發(fā)表的各種文獻(xiàn)(L.Martin-moreno，Phys.Rev.Lett.90，167401(2003)，F(xiàn).J Garcia-Vidal，Phys.Rev.Lett.90，213901(2003))涉及在金屬膜上制作一定深度的凹槽(凹孔)狀周期結(jié)構(gòu)，通過改變凹槽(凹孔)的數(shù)量和周期，使光在遠(yuǎn)場以一定能量和很小的發(fā)散角進(jìn)行傳播。但存在的問題是(1)出射光在近場能量不集中，傳播過程中的不連續(xù)性限制了這種現(xiàn)象在器件中的應(yīng)用；(2)尚缺少作為重要傳播特征的角度調(diào)制的自由度，使其偏折、分光、聚焦等功能很難實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)偏折、分光、聚焦等功能的，且可在出射面實(shí)現(xiàn)任意位相分布，能量利用率高的基于金屬納米縫的光束控制方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于金屬納米縫的光束控制方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)根據(jù)所需功能器件(聚焦、偏折、分光等)出射光場的要求，計(jì)算元件出射面各點(diǎn)的位相分布φi(xi)；(2)以金屬銀作為金屬膜材料，根據(jù)公式(1)確定入射波長在銀膜中趨膚深度xp=λ2π(ϵ1+ϵ2ϵ12)1/2---(1)]]>其中，ε1為金屬銀的介電常數(shù)實(shí)部，ε2為介質(zhì)的介電常數(shù)，λ為入射光波長；(3)以加工能力對應(yīng)的最小線寬ωi作為出射面位相最大值處的金屬縫開孔，以該線寬對應(yīng)的最大加工深度作為金屬膜厚度d，以金屬膜厚度d和出射光場位相分布為基礎(chǔ)，根據(jù)公式(2)計(jì)算出射光場各點(diǎn)模式傳播常數(shù)βi(xi)βi(xi)=φi(xi)d---(2)]]>(4)依據(jù)公式(3)，逐次計(jì)算出射面其他各點(diǎn)處的金屬縫開孔大小ωi(Xi)tanh(bi(xi)2-k02edwi(xi)/2)=-edbi(xi)2-k02emembi(xi)2-k02ed---(3)]]>bi為模式傳播常數(shù)，k0為入射波在真空中的波矢，wi為不同位置金屬縫寬，em與ed為基底與金屬銀的材料參數(shù)；(5)以位相最大值處為出發(fā)點(diǎn)，趨膚深度為金屬縫間距，取滿足條件公式(4)的點(diǎn)構(gòu)成微納功能結(jié)構(gòu)圖形的相鄰點(diǎn)xj=xi+12ωi+12ωj+xp---(4)]]>xi與xj分別為微結(jié)構(gòu)相鄰縫中心的位置坐標(biāo)，xp為銀趨膚深度，wi與wj分別為相鄰縫的縫寬。
本發(fā)明的原理是從單獨(dú)金屬縫中的表面等離子體激元傳輸規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同寬度的狹縫中表面等離子體波的傳輸模式不同，不同的傳輸模式將導(dǎo)致了電磁波在不同縫中傳播常數(shù)產(chǎn)生差異，而傳播常數(shù)的差異必將引起金屬縫出口處位相的差異，從而可以利用不同寬度的狹縫來對狹縫出口光波的位相進(jìn)行調(diào)制，通過調(diào)節(jié)不同狹縫的縫寬和金屬膜層厚度(縫深)可實(shí)現(xiàn)出射口處位相調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對出射光場的調(diào)制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)(1)每個狹縫出口處的位相可以單獨(dú)控制，因而可在出射面實(shí)現(xiàn)任意位相分布；(2)整個元件制作在金屬薄膜上，便于小型化和集成化；(3)本發(fā)明方法制作出的元件有異常透射效應(yīng)，能量利用率高。
圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1微納功能元件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中1為基底材料，基底可以為非金屬也可以為金屬，2為基底表面金屬層，3為寬度不等的一系列空氣孔；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1微納功能元件結(jié)構(gòu)俯視圖，其中2為基底表面金屬層，3為寬度不等的一系列空氣孔；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中平面波通過圖1所示金屬結(jié)構(gòu)后，在離出射面0.8微米(焦平面)處的能量分布，其中橫坐標(biāo)為位置矢量，每格0.5微米，縱坐標(biāo)為歸一化能量分布，每格為0.1；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2微納功能元件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中1為基底材料，基底可以為非金屬也可以為金屬，2為基底表面金屬層，3為由空氣孔；圖5為本發(fā)明實(shí)施例2微納功能元件結(jié)構(gòu)俯視圖，2為基底表面金屬層，3為寬度不等的一系列空氣孔；圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中平面波垂直于圖4所示金屬結(jié)構(gòu)入射后，在出射面后方得到的能量分布，其中4為入射光650nm，5為微結(jié)構(gòu)元件，6為出射光場能量分布。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1是通過本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)平面波的長焦深、亞微米級焦斑聚光效果，其實(shí)施過程如下①本實(shí)施例需要采用微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面光波的長焦深、亞微米級焦斑聚焦效果。根據(jù)元件的長焦深效果，首先通過傳統(tǒng)衍射理論計(jì)算得到元件光場出射面位相分布φi(xi)，φi(xi)，對于聚焦結(jié)構(gòu)，若所需的焦距為f，則距中心位置為xi處的位相為φi(xi)=2nπ+2πfλ-2πf2+xi2λ---(5)]]>式中n為正整數(shù)，λ為入射光波長；②選擇Ag作為金屬材料，根據(jù)公式(2)可算出銀的趨膚深度為24nm；③設(shè)備可加工最小線寬為50nm，該線寬可加工的最大深度為100nm，因此取寬50nm，深100nm的金屬縫作為最大位相處的金屬縫結(jié)構(gòu)參數(shù)，并選擇100nm作為金屬銀的厚度，在石英基底表面蒸鍍100納米金屬銀；④以寬50nm，深100nm的金屬縫結(jié)構(gòu)對應(yīng)位相為最大位相，根據(jù)公式(2)、(3)，分別計(jì)算出其它位置處相對應(yīng)的縫寬(即求出位置與縫寬函數(shù)關(guān)系)；⑤從計(jì)算出的位置-寬度函數(shù)曲線中選擇滿足公式(4)的系列點(diǎn)作為器件的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行加工制作。
圖1為該聚焦結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖2為該聚焦結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖3為該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)焦點(diǎn)(0.8微米)處得到的能量分布，從上述各圖中可看出，入射光場在焦點(diǎn)(0.8微米)處得到了很好的聚焦。
實(shí)施例2是通過本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折光波的轉(zhuǎn)折，其實(shí)施過程如下①本實(shí)施例需要采用微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面光波的偏折效果。首先根據(jù)元件的長焦深效果，通過傳統(tǒng)衍射理論計(jì)算得到元件光場出射面位相分布φi(xi)；②選擇Ag作為金屬材料，根據(jù)公式(2)可算出銀的趨膚深度為24nm；③設(shè)備可加工最小線寬為50nm，該線寬可加工的最大深度為100nm，因此取寬50nm，深100nm的金屬縫作為最大位相處的金屬縫結(jié)構(gòu)參數(shù)，并選擇100nm作為金屬銀的厚度，在石英基底表面蒸鍍100納米金屬銀；④以寬50nm，深100nm的金屬縫結(jié)構(gòu)對應(yīng)位相為最大位相，根據(jù)公式(2)、(3)，分別計(jì)算出其它位置處相對應(yīng)的縫寬(即求出位置與縫寬函數(shù)關(guān)系)；⑤從計(jì)算出的位置-縫寬度函數(shù)曲線中選擇滿足公式(4)的系列點(diǎn)作為器件的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行加工制作。
圖4為該光場偏折結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖5為該光場偏折結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖6為光場通過該結(jié)構(gòu)后的能量分布，從上述各圖的能量分布可以看出入射光場得到了偏折。
此外，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的分光功能與上述的聚焦和偏折的實(shí)施過程相似。
權(quán)利要求
1.基于金屬納米縫的光束控制方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)根據(jù)所需功能器件出射光場的要求，計(jì)算元件出射面各點(diǎn)的位相分布φi(xi)；(2)以金屬銀作為金屬膜材料，根據(jù)公式(1)確定入射波長在銀膜中趨膚深度xp=λ2π(ϵ1+ϵ2ϵ12)1/2----(1)]]>其中，ε1為金屬銀的介電常數(shù)實(shí)部，ε2為介質(zhì)的介電常數(shù)，λ為入射光波長；(3)以加工能力對應(yīng)的最小線寬ωi作為出射面位相最大值處的金屬縫開孔，以該線寬對應(yīng)的最大加工深度作為金屬膜厚度d，以金屬膜厚度d和出射光場位相分布為基礎(chǔ)，根據(jù)公式(2)計(jì)算出射光場各點(diǎn)模式傳播常數(shù)βi(xi)βi(xi)=φi(xi)d----(2)]]>(4)依據(jù)公式(3)，逐次計(jì)算出射面其他各點(diǎn)處的金屬縫開孔大小ωi(xi)tanh(bi(xi)2-k02edwi(xi)/2)=-edbi(xi)2-k02emembi(xi)2-k02ed----(3)]]>bi為模式傳播常數(shù)，k0為入射波在真空中的波矢，wi為不同位置金屬縫寬，em與ed為基底與金屬銀的材料參數(shù)；(5)以位相最大值處為出發(fā)點(diǎn)，趨膚深度為金屬縫間距，取滿足條件公式(4)的點(diǎn)構(gòu)成微納功能結(jié)構(gòu)圖形的相鄰點(diǎn)xj=xi+12ωi+12ωj+xp---(4)]]>xi與xj分別為微結(jié)構(gòu)相鄰縫中心的位置坐標(biāo)，xp為銀趨膚深度，wi與wj分別為相鄰縫的縫寬。
全文摘要
基于金屬納米縫的光束控制方法，根據(jù)所需功能器件(聚焦、偏光、發(fā)散等)出射光場的要求，計(jì)算元件出射面各點(diǎn)的位相分布φ
文檔編號G02F1/35GK1752832SQ200510086699
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者王長濤, 史浩飛, 杜春雷, 羅先剛 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所