表面等离激元金属聚焦透镜的研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wenjuanliu_b06213
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表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)是一种倏逝波,它能够在具有相反介电函数实部的两种介质交界面处被电子或者光波激发。SPs由于其特殊的物理现象,已经在各个领域得到了广泛的研究。其中表面等离激元金属聚焦透镜(Surface Plasmons Metal Focusing Lens,SPMFL)就是基于SPs的典型应用。为了突破衍射极限,SPMFL的基本结构单元往往是亚波长尺寸,甚至远小于入射光的波长尺寸,因此给SPMFL的加工及制备成本带来了挑战。本文的主要研究目的就是在一定条件下对SPMFL的设计进行改进,从而保证在实现SPMFL目标性能的前提下,不仅减小透镜的加工难度,同时降低其制备成本。  本文对SPMFL的研究内容主要包括理论设计、仿真验证、实验制备以及实验测试结果分析等部分。通过对SPMFL基本结构参数的不同选择可以获得不同的相位延迟,但在保证相位延迟总和是2π的整数倍的条件下,就能使平行入射的电磁波在SPMFL另一侧的任意位置处实现相长干涉。在532nm波长下,为了实现远场聚焦性能,本文设计了两类SPMFL,分别是纳米级线宽表面等离激元金属聚焦透镜(SPMFL with Nanoscale line-width,NSPMFL)和微米级线宽表面等离激元金属聚焦透镜(SPMFL with Microscale line-width,MSPMFL)。这两类SPMFL是通过在金薄膜上刻蚀多个圆环狭缝形成的,这些圆环狭缝的半径和线宽均可以进行灵活设计。SPMFL的加工工艺采用了电子束光刻和剥离等技术。从仿真结果来看,两类SPMFL的性能基本满足设计要求,且分辨率均突破了阿贝衍射极限;从实验测试结果来看,虽然NSPMFL A和NSPMFL B的实验测试结果与仿真结果存在一定的误差,但是NSPMFL A所获得的分辨率仍然接近阿贝衍射极限,而且实验结果中NSPMFL A与NSPMFL B呈现的数量关系与其仿真结果中呈现的数量关系一致,即无论是仿真结果还是实验测试结果,NSPMFLA的分辨率均比NSPMFL B的分辨率高;MSPMFL的实验测试结果与其仿真结果基本吻合。  NSPMFL的研究意义在于,提出了一种新的设计方法,在保证透镜性能不变的前提下,可以将目标透镜狭缝线宽按更大的尺寸(基本结构单元尺寸相对于目标设计透镜2倍以上)进行加工。因此,不仅降低了目标透镜的工艺制造难度,而且节约了其加工成本。MSPMFL的研究意义在于,设计了一种较大线宽的SPMFL(线宽1μm以上),与传统菲涅尔波带片相比,该透镜在保证实现与菲涅尔波带片拥有相同聚焦性能的前提下,其加工难度和工艺成本均小于后者。本文的研究或将对于现代光电子器件的低成本生产具有一定意义。
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