一种能够实现成像功能的多层金属介质膜的设计方法，其特征在于：首先选择入射波；再选择两组一定厚度的金属材料和介质材料，将两组中的金属和介质分别交替排布构成两种多层金属介质膜结构，根据入射波作用下每种材料的介电常数和每层膜的厚度能够分别计算出这两种多层金属介质膜的等效介电常数；然后通过设计各薄膜层的厚度可以实现等效介质中各方向介电常数大小和正负的变化，由此可使光波通过第一组多层金属介质膜结构发散，而通过第二组多层金属介质膜结构会聚；将发散结构多层膜和会聚结构的多层膜按特定的厚度比例粘合在一起便构成了具有成像功能的多层金属介质膜结构器件，该器件可以实现对远小于工作波长的细微结构成像，达到超分辨的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种采用异质结金属介质薄膜进行超分辨成像的结构，特别涉及一种能够 实现成像功能的多层金属介质膜的设计方法。
技术介绍
根据阿贝-瑞利判据，成像系统的分辨率受到入射光波长和数值孔径的严格限制，理论 上分辨的距离不可能小于1/2波长，显微镜作为一种常用的光学系统，虽然可以用来对微细 结构进行近百倍的放大观测，但也要受到分辨极限的限制；这是由于当光入射到物体表面 的时候， 一部分传播波成分会与物体表面相互作用后向外传播，但还有一些倏逝波成分被 束缚在物体表面不能向外传播，远场探测的信息不包含倏逝波成分，从而对物体的分辨能 力受到了限制也就是分辨极限，因此超越衍射极限分辨系统的研究在科研、医学、检测等 方面均有重要的意义。目前，有几种方法可以实现超分辨成像，扫描近场光学显微镜(SNOM) (D.W.Pohl, D. Courjon， Near Field Optics, Kluwer, The Netherlands, 1993)， 近场的 superlens ("Sub—Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens" ; Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Science 2005,308, 534-537)等，近场探测是采用探针探测近场 的倏逝波信息，记录信息并通过数据处理来还原物体的表面信息，但由于探针是逐行扫描 的，所以扫描过程缓慢，不利于生物探测等需要实时反应物体表面变化的情况。Superlens 是采用薄膜结构对局域在物体表面的倏逝波信息进行放大和传输，但该结构要达到倏逝波 的放大效果对金属和介质的介电常数有严格的要求，即其介电常数必须满足e +。=0;并且采用suprelens放大时物体和像之间的距离很短，不利于实际应用中的探测需求；另外，suprelens的分辨较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出了一种多层金属介质膜结构， 该结构在用于成像过程中，物面和像面之间的距离加大，并且分辨率较大；应用该结构可 以实现对远小于工作波长的细微结构成像，从而达到了超分辩的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案 一种能够实现成像功能的多层金属介质膜 的设计方法，其特征在于步骤如下5(1) 选择入射波，其波长为义，该入射波中只包含TM模式；(2) 对于膜层厚度分别为《，《的金属材料和介质材料，在入射波的照射下，金属 材料和介质材料的折射率分别为^， ，对应的介电常数分别为^， &，若将多个这样的金属材料膜和介质材料膜交替排列构成多层膜结构，此多层膜结构材料的等效介电常数可 以通过公式(1)计算获得<formula>formula see original document page 6</formula>(1)其中;7 =《/《；7为金属材料和介质材料膜层厚度的比值，^分别为在x， y， Z三个方向的介电常数；(3) TM波在各向异性介质中的波矢^与、的函数关系为<formula>formula see original document page 6</formula>其中t, ^分别为TM波在JC, 2方向的波矢；0为TM波的频率；C为真空中的光速；A。 为TM波在真空中的波矢；(4) 选择第一组金属材料和介质材料，在入射波的照射下，第一组金属材料和介质材料的折射率分别为"w， "rfl，对应的介电常数分别为^,和e^，每一膜层厚度分别为《,和^，将多个这样的金属材料膜和介质材料膜交替排列成多层膜结构，通过公式(1)计算使搏第一组多层膜结构材料的等效介电常数实部满足^<0， szl>0，此时公式(2)可以变化为<formula>formula see original document page 6</formula>该方程形式为双曲线方程，光波传输方向垂直于渐近线，此时对应的渐近线方程为<formula>formula see original document page 6</formula> (4)则此时光波在第一组多层膜结构材料中传输时与、轴所成角度的正切为:<formula>formula see original document page 6</formula>(5)光波在该材料中是发散的，将该种多层膜结构称为发散结构(5)选择第二组金属和介质材料，在入射波的照射下，第二组金属材料和介质材料的折射率分别为 2, 2，对应的介电常数分别为^2和&2，每一膜层厚度分别为《2和<2，将多个这样的金属材料膜和介质材料膜交替排列成多层膜结构，通过公式(1)计算使得第 二组多层膜结构材料的等效介电常数实部满足&2>0， ez2<0，那么此时公式(2)可以变化为该方程形式也为双曲线方程，光波传输方向垂直于渐近线，此时渐近线方程为:光波在该材料中是会聚的，将该种多层膜结构称为会聚结构；(6)选择厚度分别为i^和^的两种多层膜结构，将该两种会聚结构多层膜和发散结构多层膜组合在一起，完成能够实现成像功能的多层金属介质膜的设计。所述步骤(2)中的金属材料为可以激发表面等离子体的金，银，铜，铝。所述步骤(2)中的材料的厚度《，^为3纳米到50纳米。所述步骤(2)中的多层膜结构为形式上的各向异性结构。所述步骤(2)中的多层膜结构的层数可以为IO层到IOO层。所述步骤(6)中两种多层膜结构的厚度1,和￡2可以为50纳米到2微米。所述的多层金属介质膜实现成像功能的时，物面和像面分别位于多层金属介质膜的下 表面和上表面。所述步骤(6)中两种多层膜结构的厚度^和A满足本专利技术与现有技术相比所具有的优点在于(1) 本专利技术设计所得的结构简单，运用简单的几种薄膜结构可以实现对目标器件的设 计；此结构可以将光束缚在某单一方向传输，有效的抑制了杂散光，提高了传输效率；且 光线在此结构中传输时，其发散角和会聚角是可控的，因此其成像位置也是可控的；(2) 跟目前的超分辨成像系统相比本专利技术设计所得的结构，物面和像面之间的距离 更大，更加有利于探测，为其进一步实用奠定了基础；此时光波在第二组多层膜结构材料中传输时与^轴所成角度的正切为:(3)跟superlens相比本专利技术设计所得的结构在用于成像时，分辨率进一步提高，可 以实现超衍射极限的细微物体成像。 附图说明图1是本专利技术实施例1和实施例2中光线在多层膜结构中呈发散方向的示意图； 图2是本专利技术实施例1和实施例2中光线在多层膜结构中呈会聚方向的示意图； 图3是实施例1中光线在设计的多层膜结构中传播的示意图； 图4是实施例2中光线在设计的多层膜结构中传播的示意图图中l和2表示双曲线；3和4表示渐近线；实箭头表示光波的传播方向；5表示金 属银；6表示折射率为2.2的介质材料；7表示空气层；8表示金属铝；9表示二氧化硅；图 1和图2中的横坐标和纵坐标分别表示波矢^和^。 具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术进行详细说明本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种能够实现成像功能的多层金属介质膜的设计方法，其特征在于以下步骤： （１）选择入射波，其波长为λ，该入射波中只包含ＴＭ模式； （２）对于膜层厚度分别为ｄ↓［ｍ］，ｄ↓［ｄ］的金属材料和介质材料，在入射波的照射下，金属材料和介质材料的折射率分别为ｎ↓［ｍ］，ｎ↓［ｄ］，对应的介电常数分别为ε↓［ｍ］，ε↓［ｄ］，若将多个这样的金属材料膜和介质材料膜交替排列构成多层膜结构，此多层膜结构材料的等效介电常数可以通过公式（１）计算获得： ＊＊＊ （１） 其中η＝ｄ↓［ｍ］／ｄ↓［ｄ］；η为金属材料和介质材料膜层厚度的比值，ε↓［ｘ］，ε↓［ｙ］，ε↓［ｚ］分别为在ｘ，ｙ，ｚ三个方向的介电常数； （３）ＴＭ波在各向异性介质中的波矢ｋ↓［ｘ］与ｋ↓［ｚ］的函数关系为： ｋ↓［ｘ］↑［２］／ε↓［ｚ］＋ｋ↓［ｚ］↑［２］／ε↓［ｘ］＝ω↑［２］／ｃ↑［２］＝ｋ↓［０］↑［２］ （２） 其中ｋ↓［ｘ］，ｋ↓［ｚ］分别为ＴＭ波在ｘ，ｚ方向的波矢；ω为ＴＭ波的频率；ｃ为真空中的光速；ｋ↓［０］为ＴＭ波在真空中的波矢；（４）选择第一组金属材料和介质材料，在入射波的照射下，第一组金属材料和介质材料的折射率分别为ｎ↓［ｍ１］，ｎ↓［ｄ１］，对应的介电常数分别为ε↓［ｍ１］和ε↓［ｄ１］，每一膜层厚度分别为ｄ↓［ｍ１］和ｄ↓［ｄ１］，将多个这样的金属材料膜和介质材料膜交替排列成多层膜结构，通过公式（１）计算使得第一组多层膜结构材料的等效介电常数实部满足ε↓［ｘ１］＜０，ε↓［ｚ１］＞０，此时公式（２）可以变化为： ｋ↓［ｘ］↑［２］／ε↓［ｚ１］－ｋ↓［ｚ］↑［２］／｜ε↓［ｘ１］｜＝ω↑［２］／ｃ↑［２］＝ｋ↓［０］↑［２］ （３） 该方程形式为双曲线方程，光波传输方向垂直于渐近线，此时对应的渐近线方程为： ｋ↓［ｚ］＝－＊＊＊｜ｋ↓［ｘ］｜ （４） 则此时光波在第一组多层膜结构材料中传输时与ｋ↓［ｚ］轴所成角度的正切为： ＊＊＊ （５） 光波在该材料中是发散的，将该种多层膜结构称为发散结构； （５）选择第二组金属和介质材料，在入射波的照射下，第二组金属材料和介质材料的折射率分别为ｎ↓［ｍ２］，ｎ↓［ｄ２］，对应的介电常数分别为ε↓［ｍ２］和ε↓［ｄ２］，每一膜层厚度分别为ｄ↓［ｍ２］和ｄ↓［ｄ２］，将多个这样的金属材料膜和介质材料膜交替排列成多层膜结构，通过公式（１）计算使得第二组多层膜结构材料的等效介电常数实部满足ε↓［ｘ２］＞０，...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，赵延辉，杜春雷，王长涛，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]
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