一種基于表面等離激元的四象限探測器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于光學測量技術領域，涉及四象限探測器，尤其涉及一種基于表面等離 激元的四象限探測器及其對光束位置進行探測的方法。
【背景技術】
[0002] 表面等離激元SPP(Surface PlasmonPolariton)是一種局域在金屬/介質界面上， 并沿金屬表面傳播的電磁模式，電磁場強度在垂直于金屬表面的方向上指數衰減;并且沿 傳播方向的波數大于同一頻率下光子在該介質中自由傳播的波數。因此若以表面等離激元 作為信號載體，將非常適合實現二維的全光、電光集成;其次，由于金屬表面的強約束，表面 等離激元的電磁場在空間上的延展主要取決于金屬微納米結構尺度而不是波長，從而有能 力突破衍射極限，縮小光路中器件的尺寸。因此普遍認為表面等離激元將在納米光子學領 域獲得重要應用。基于表面等離激元的各種器件的研究以及相關理論研究成為近年來的熱 點，吸引著眾多科研人員的關注。
[0003] 另外，實現對光束位置測量在諸多應用領域至關重要，比如激光雷達，激光制導武 器，自由空間光通信等。在各種位置傳感器中，四象限探測器是應用最普遍的一種。傳統的 四象限探測器是用十字叉線均勻對稱地將一個圓形光敏面分成四部分，因此它實際上是由 四個性能完全一致、緊密靠在一起的光電探測器組成，然而其典型尺寸在毫米甚至厘米量 級，顯然不適用在微納尺度上的光子學器件的集成。因此通過發現新原理和新方法，實現小 尺度的表面等離激元四象限探測器，成為表面等離激元器件的一個研究難點。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種反應速度快、暗電流小，可以制備在幾十納米厚度的金 屬薄膜上，結構簡單，尺度小、非常利于器件集成化的基于表面離激元的四象限光電探測器 及其對光束位置進行探測的方法。
[0005] 本發明所述基于表面離激元的四象限光電探測器，設有金屬膜，在金屬膜表面設 有一組邊長為a的亞波長正方形凹槽，一般要求a約等于半波長以便有較高的耦合效率。各 凹槽的位置位于一個MXN的正方形網格的格點位置，Μ表示網格的列數，N表示網格的行數， Μ可等于Ν，Μ和Ν的選取要求使器件的尺寸和光斑尺寸可以比擬。因此每個凹槽的中心位置 記為：r m,n=max+nay，χ和y是直角坐標系的X和y方向單位矢量，m和η是任何絕對值不大于Μ的 整數，某個凹槽的位置記為(m，n)。
[0006] 所述金屬膜可為金膜、銀膜、鋁膜等金屬膜。
[0007] 所述金屬膜的厚度可為40~70nm;所述正方形凹槽的邊長可為300~500nm，深度 可為30~60nm。
[0008] 本發明所述對光束位置進行探測的方法，可采用下述兩種技術方案：
[0009] 第一技術方案:對光束位置進行探測的方法，采用所述基于表面離激元的四象限 光電探測器，包括以下步驟：
[0010] 1)按照波動光學，設計凹槽在網格上的排列位置，使激發的表面等離激元能實現 四個焦點，分別位于±義和±7軸上，且焦距相等；
[0011] 2)調整器件和入射高斯光束的相對位置: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角線方向；
[0012] 3)采集四個焦點位置的表面等離激元強度，類比標準的四象限探測器算法，由焦 點的強度^^二^一^八十算出一組包含光束位置信息的相對位置坐標^紳）。
[0013] 4)Ii(i = l，2,3,4)隨入射光束中心位置的變化關系可由表面等離激元點源模型 或通過麥克斯韋(Maxwell)方程組或通過電磁場商用計算軟件(FDTD solutions等)求得， 從而得到xd與X、以及yd與Φ之間的關系，這里(xd，yd)是在xl-yl坐標系中度量的光束位置， xl-yl坐標是將x-y坐標系以原點為中心逆時針轉45度的得到，當光束位置在器件中心附近 時，X和Φ分別是光束位置坐標xd和yd的單值函數，根據測量的(χ，Φ)值，就能反推(xd，yd)， 即實現光束位置的探測。
[0014] 第二技術方案:對光束位置進行探測的方法，采用所述基于表面離激元的四象限 光電探測器，包括以下步驟：
[0015] 1)按照波動光學，設計凹槽在網格上的排列位置，使激發的表面等離激元能在±x 和土y各方向上產生兩個焦點，即共產生八個焦點，且焦距相等；
[0016] 2)調整器件和入射高斯光束的相對位置: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角線方向；
[0017] 3)采集八個焦點位置的表面等離激元強度，由擴展的四象限探測器算法(詳見實 施例2)，由焦點的強度^1 = 1,2,3,..., 8)計算出兩組包含光束位置信息的相對位置坐 標：（xl，Φ1)和(χ2，Φ2);
[0018] 4)Ii(i = l，2,3, . . .，8)隨入射光束中心位置的變化關系可由表面等離激元點源 模型、或通過麥克斯韋(Maxwell)方程組或電磁場商用計算軟件(FDTD solutions等)求得， 從而得到xd與xl，xd與x2,，yd與Φ1，以及yd與Φ2之間的關系，這里(xd，yd)是在xl-yl坐標系 中度量的光束位置，xl-yl坐標是將x-y坐標系以原點為中心逆時針轉45度的得到，當光束 位置在器件中心附近時，xl、x2都是光束位置坐標xd單值函數，而Φ1、Φ2都是位置坐標yd的 單值函數，根據測量的(Χ1，Φ1)或(Χ2，Φ2)值能反推(xd，yd)，即實現光束位置的探測。
[0019] 與現有技術比較，本發明的有益效果如下：
[0020] 由于采用這樣的結構，當一束平面波垂直金屬表面入射時，表面等離激元將在每 個凹槽上以相同的初相位被激發并沿金/空氣界面傳播，并分別在±義和± y方向上形成焦 點。顯然，這里的m和η并不是任意取值（即凹槽只能被放置在特殊的格點位置上），而是如下 方法選出：首先將整個四象限探測器的結構可以用集合Km，n)}表示，該集合包括了探測器 結構中所有凹槽的中心坐標，則Km，n)}可以寫成兩個集合的交集，即 里{(m，n)}i和{(m，n)}2分別是能夠在土又和土義方向上產生兩個焦點的凹槽結構。為此(m, η)} 1和{(m，η)}2中凹槽的位置需要讓激發的表面等離激元分別在±又和± X方向上的焦點處 相位是滿足波動光學相長干涉條件的。這些凹槽的作用是將入射的光波耦合成金屬表面沿 兩個垂直方向傳播的表面等離激元，并在（±χ軸)和垂直（土 y軸）四個方向上聚焦。當高斯 光束入射探測器時，各方向上焦點的強度和光束中心位置有關。采用標準的四象限探測器 算法，可以從四個焦點的相對強度信息得到實際光束的中心位置坐標。進一步，凹槽的形 狀、深度，金屬的材料、厚度并不嚴格限定，金屬上、下表面可以覆蓋空氣、玻璃等其他介質， 關鍵是在入射光的頻率上，（1)凹槽結構能有效激發表面等離激元，（2)該金屬\介質界面能 有效支持表面等離激元的傳播。該結構能將入射光束1的能量耦合成表面等離激元2在金屬 界面傳播并能同時在互相垂直的四個方向上聚焦。由于這四個方向的焦點的相對強度反應 了入射光束與器件結構的相對位置，通過測量各個焦點的強度并配合一定的算法處理，該 器件能精確實現光束位置測量。
[0021] 本發明的表面等離激元四象限器件具有反應速度快、暗電流小等優點。器件可以 制備在幾十納米厚度的金屬薄膜上，而且結構簡單，尺度小、非常利于器件集成化。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明所述表面等離激元四象限探測器的原理結構示意圖；
[0023] 圖2為本發明實施例1所述表面等離激元四象限探測器的結構示意圖；
[0024] 圖3為本發明實施例1四象限探測器樣品掃描電鏡照片；
[0025] 圖4為本發明實施例1產生的表面等離激元四焦點(F1-F4)聚焦效果圖；
[0026] 圖5為本發明實施例1產生的實際光束位置(xl，yl)隨探測的相對位置坐標(χ，Φ) 的關系圖；
[0027] 圖6為本發明實施例2的一種表面等離激元四象限探測器樣品掃描電鏡照片；
[0028] 圖7為本發明實施例2產生的表面等離激元八焦點(F1-F8)聚焦效果圖；
[0029] 圖8為本發明實施例2產生的實際光束位置(xl，yl)隨探測的兩組相對位置坐標(X 1，機）和(乂2，1]52)的關系圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
[0031] 實施例1
[0032] 參見圖1~5,表面等離激元四象限探測器是用聚焦離子束在50nm厚的金膜上刻蝕 形成。凹槽的深度是20nm。金膜是事先用濺射的方法制備在170μπι厚的蓋玻片上。實驗采用 的光源來自一臺連續的830納米波長的鈦寶石激光器。激光經過一個λ/4波片和一個透鏡 后，以一個75μηι半徑的光束垂直于金膜表面從空氣端照明樣品。
[0033] 實施例1中表面等離激元在金膜上的二維強度分布由漏輻射顯微鏡探測，該成像 系統包含：一個油浸的物鏡（100 X，ΝΑ= 1.4)，三個焦距120mm的輔助透鏡以及一個CCD ([2].A.Drezet,A.Hohenau,A.L.Stepanov,H.Ditlbacher,B·Steinberger,N.Galler, F.R.Aussenegg,A.Leitner,and J·R·Krenn,"How to erase surface plasmon fringes," Appl.Phys. Lett.89,091117(2006))〇
[0034] 實施例1中各焦點強度隨入射光束中心位置的變化關系由基于表面等離激元點源 模型數值計算求得。
[0035] 參見圖2,邊長為407nm的正方形凹槽排布在邊長為407nm的正方形網格中。圖2中