一种等离激元涡旋透镜及其制作方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种等离激元涡旋透镜及其制作方法和应用。在其制作方法过程中，同时考虑了等离激元涡旋透镜局域偏振分布以及全局位相分布，极大的调高了等离激元涡旋透镜的工作效率。本发明专利技术制作的等离激元涡旋透镜，在结构中心处产生的SPPs聚焦光斑的强度分别是纳米狭缝透镜和贝利位相透镜的近150倍和6倍。同时其聚焦光斑大小的测试结果与理论计算及数值模拟结果具有很好的一致性，实现了超分辨的聚焦。聚焦。聚焦。

【技术实现步骤摘要】
一种等离激元涡旋透镜及其制作方法和应用


[0001]本专利技术涉及超分辨成像
，特别是涉及一种等离激元涡旋透镜及其制作方法和应用。

技术介绍

[0002]表面等离激元(SPPs)是一种表面传输波，它是由位于金属/介质界面上的自由电子与入射电磁波的耦合及集体振荡所产生的。SPPs具有许多奇异的光学特性，例如对外界环境折射率具有很高的响应灵敏度，具有极强的局部场增强和亚波长限制能力以及能够突破传统光学的衍射极限等，因此，被广泛的应用于生物、化学传感器、表面增强拉曼散射、表面增强荧光以及等离激元微纳激光器等方面。
[0003]近年来，随着微纳加工技术的发展，表面等离激元的聚焦并携带一定的涡旋相位，即等离激元涡旋透镜，引起了学术界极大的研究兴趣。这是因为等离激元涡旋透镜不仅可以产生超分辨的聚焦光斑，同时会聚的光斑还具有了一定的光学轨道角动量。这些特性使得等离激元涡旋透镜在微纳光子领域具有十分重要的应用价值，可被应用于纳米粒子的捕获、旋转、超分辨率成像以及数据存储等方面。到目前为止，研究者通过在连续金属膜上制备不同的纳米结构，如纳米环、手性狭缝、阿基米德螺旋线以及超表面螺旋结构等，实现了不同波前及偏振特性的等离激元涡旋透镜。然而，目前已经实现的等离激元涡旋透镜绝大部分还面临着一些不可忽视的问题：如，(1)当入射光垂直照射到透镜表面时，由于自由空间传输波与表面波间的波矢不匹配，等离激元涡旋透镜由传输波转变为表面波的效率比较低。(2)当传输波转换为表面波后，连续金膜上的纳米结构可被视为一个平面偶极子，由偶极子辐射出的表面波方向性比较差，因此，最终能够传播到透镜焦点处的SPPs能量就比较低。(3)等离激元涡旋透镜通常选用不同手性的圆偏振光作为入射光源，而圆偏光中只有与SPPs传播方向一致的偏振分量对SPPs的传播具有贡献，因此(2)和(3)使得透镜对表面波的产生及整体的利用率较低。总之，上述问题使得等离激元涡旋透镜的工作效率很低，这在一定程度上就限制了透镜在实际中的应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术中由于对表面波的产生及整体利用率较低而导致的等离激元涡旋透镜的工作效率较低的技术缺陷，而提供一种高效率等离激元涡旋透镜。
[0005]本专利技术的另一个目的，是提供上述高效率等离激元涡旋透镜的制作方法。
[0006]本专利技术的另一个目的，是提供上述高效率等离激元涡旋透镜在超分辨成像技术中的应用。
[0007]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0008]一种等离激元涡旋透镜的制作方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：选定入射光源的中心工作波长λ0以及自旋偏振态σ；选择合适的金属材料以及隔离层介质材料，选择合适的平板基底；
[0010]步骤2：在所选的平板基底上依次蒸镀厚度为d1的金属层和厚度为d2的介质隔离层，得到等离激元金属板；
[0011]步骤3：根据公式(1)计算SPPs在“等离激元金属板”中的色散关系，依据步骤1中选定光源的工作波长确定该等离激元金属板所支持的等离激元的波矢。
[0012][0013]式中∈
d
表示介质隔离层的介电常数，表示Drude模型描绘的金属材料的色散关系，其中ε
∞
为一常数，ω
p
表示金属的体等离激元频率,Γ表示金属的阻尼频率，c为入射光在真空中的传播速度，ω＝2πc/λ0，为入射光的角频率；
[0014]步骤4：当光源垂直入射到结构表面时，依据步骤3中确定的表面等离激元的波矢，根据公式(2)确定超表面沿着r方向的位相梯度,并由此计算超表面的超周期P
s
以及相邻结构间的最小间距P
r
；
[0015][0016]式中，表示超表面沿着r方向的位相梯度；n表示超表面中一个超周期所包含的元胞数；
[0017]步骤5：在FDTD Solution软件中进行参数扫描优化，依据步骤4中所得的超表面的超周期P
s
以及相邻结构间的最小间距P
r
，确定结构参数的扫描范围，并为超表面中每个元胞选择合适的几何尺寸；根据等离激元涡旋透镜工作光源的自旋偏振态σ，选择元胞的局域转角(所谓局域转角是指元胞相对于极坐标r的角度)；
[0018]步骤6：根据透镜所需的聚焦特性选择合适的阿基米德几何螺旋结构，即选择合适的焦距及几何拓扑荷数；利用步骤4和步骤5中确定的结构参数，在等离激元金属板上按照所选阿基米德螺旋环制备纳米结构，并最终实现不同聚焦特性的等离激元涡旋透镜。
[0019]在上述技术方案中，步骤1中，所述金属材料为金；所述隔离层介质材料和所述基底材料为二氧化硅。
[0020]在上述技术方案中，步骤2中，金属层厚度d1和介质隔离层厚度d2是通过FDTD Solution软件进行参数扫描优化后确定的。
[0021]在上述技术方案中，步骤4中，超表面中一个超周期所包含的元胞数n≥2，优选3。
[0022]在上述技术方案中，步骤5中，当入射光为左旋圆偏振光时，每一所述元胞的局域转角ξ0＝π/4。
[0023]在上述技术方案中，步骤5中，当入射光为右旋圆偏振光时，每一所述元胞的局域转角ξ0＝3π/4。
[0024]在上述技术方案中，步骤5中，所述元胞的几何尺寸是通过FDTD Solution软件进行参数扫描优化后确定的。
[0025]本专利技术的另一方面，一种应用上述制作方法制作的等离激元涡旋透镜。
[0026]在上述技术方案中，所述等离激元涡旋透镜在结构中心处产生的SPPs聚焦光斑的强度分别是纳米狭缝透镜和贝利位相透镜的150倍和6倍。
[0027]本专利技术的另一方面，上述等离激元涡旋透镜在超分辨成像技术中的应用。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029]1.本专利技术提供的等离激元涡旋透镜的制作方法，同时考虑了等离激元涡旋透镜局域偏振分布以及全局位相分布，极大的调高了等离激元涡旋透镜的工作效率。
[0030]2.本专利技术提供的等离激元涡旋透镜，在结构中心处产生的SPPs聚焦光斑的强度分别是纳米狭缝透镜和贝利位相透镜的近150倍和6倍，工作效率极高。
[0031]3.本专利技术提供的等离激元涡旋透镜，实现了超分辨的聚焦。其聚焦光斑大小的测试结果与理论计算及数值模拟结果具有很好的一致性。
附图说明
[0032]图1A所示为等离激元涡旋透镜的结构原理示意图，图1B所示为只有单个元胞时透镜侧面的结构示意图；
[0033]图2A是实施例3中所设计的等离激元涡旋透镜；
[0034]图2B所示为实施例3中所设计的等离激元涡旋透镜的近场光学测试结果；
[0035]图2C所示为沿着图2B中白色虚线方向的SPPs的一维强度分布；
[0036]图3是实施例3中所设计的等离激元涡旋透镜与其他透镜工作效率的对比结果；
[0037]图4A是实施例4中所设计的等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离激元涡旋透镜的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：选定入射光源的中心工作波长λ0以及自旋偏振态σ；选择合适的金属材料以及隔离层介质材料，选择合适的平板基底；步骤2：在所选的平板基底上依次蒸镀厚度为d1的金属层和厚度为d2的介质隔离层，得到等离激元金属板；步骤3：根据公式(1)所提供的表面等离激元在“等离激元金属板”中的色散关系，结合步骤1中选定入射光源的工作波长，确定该等离激元金属板所支持的等离激元的波矢。式中∈
d
表示介质隔离层的介电常数，表示Drude模型描绘的金属材料的色散关系，其中ε
∞
为一常数，ω
p
表示金属的体等离激元频率，T表示金属的阻尼频率，c为入射光在真空中的传播速度；ω＝2πc/λ0，表示入射光的角频率；步骤4：当光源垂直入射到结构表面时，依据步骤3中确定的等离激元的波矢，根据公式(2)确定超表面沿着r方向的位相梯度并由此计算超表面的超周期P
s
以及相邻结构间的最小间距P
r
；式中，表示超表面沿着r方向的位相梯度；n表示超表面中一个超周期所包含的元胞数；步骤5：在FDTD Solution软件中进行参数扫描优化，依据步骤4中所得的超表面的超周期P
s
以及相邻结构间的最小间距P
r
，确定结构参数的扫描范围，并为超表面中每个元胞选择合适的几何尺寸；根据等离激元涡旋透镜工作光源的自旋偏振态σ，选择元胞的局域...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞飞，王冬逸，张惜月，何琼，周磊，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：