專利名稱：基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用金屬微納米結(jié)構(gòu)對輸入電磁波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)各種電磁波(光波)功能器件(偏光、聚焦、發(fā)散)的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)光學(xué)中衍射極限的存在，使人們無法正常地對小于波長一半以下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測和成像。所以人們一直致力于解決衍射極限限制問題。近來，T.W Ebbesen等人發(fā)現(xiàn)，通過亞波長金屬孔列陣的光在某些波長能出現(xiàn)異常透射增強(qiáng)(T.W.Ebbesen，Extraordinary optical transmission throughsub-wavelength hole arrays.Nature，391，667，1998)。后來的研究表明，如果在單獨(dú)的金屬孔或金屬狹縫周圍制作出等深度的周期性凹槽，則出射光可以在某些波長具有極好的方向性，并可突破傳統(tǒng)的衍射極限(H.J Lezec，Beaming Light from a Subwavelength Aperture.Science，297，820，2002)，這些特性與表面等離子體激元的存在有關(guān)。
上述現(xiàn)有的已發(fā)表的各種文獻(xiàn)T.W Ebbesen，Squeezing LightThrough Tiny Holes.The Electrochemical Society Interface·Spring，15，2003和L.Martin-moreno，Theory of highly directional emissionfrom a single subwavelength aperture surrounded bu surface corrugations.Phys.Rev.Lett.90，167401，2003、F.J Garcia-Vidal，Multiple Paths toEnhance Optical Transmission through a Single Subwavelength Slit.Phys.Rev.Lett.90，213901，2003涉及在金屬膜上制作一定深度的凹槽或凹孔狀周期結(jié)構(gòu)，通過改變凹槽或凹孔的數(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。上述文獻(xiàn)介紹的方法的不足是(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，使電磁波的功能，如偏折、分光、聚焦等功能難以實(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，提供一種基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，它利用金屬凹孔陣列或金屬凹槽陣列(其槽或孔深變化構(gòu)成曲面輪廓)實(shí)現(xiàn)對透射和反射光場的方向和能量調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)各種電磁波范圍的特殊功能器件，如偏光、聚焦、發(fā)散等。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，通過以下步驟完成(1)根據(jù)所需功能器件(如聚焦、偏光、發(fā)散等)的要求，設(shè)計(jì)功能器件的結(jié)構(gòu)，包括基底材料及金屬層結(jié)構(gòu)參數(shù)，并按照惠更斯-菲涅耳衍射理論求解功能元件表面的位相關(guān)系，通常是首先在基底材料表面蒸度半個(gè)波長厚度的金屬層，常用的蒸度金屬為銀，而基底材料則主要取決于透射波長，如紅外材料硅、可見光材料石英、玻璃等；(2)以上述功能器件光軸為中心(一般取垂直于金屬層表面的一直線為功能器件光軸)，設(shè)置金屬通孔，并根據(jù)表面等離子增強(qiáng)要求，在上述金屬通孔兩側(cè)或四周設(shè)置多個(gè)(一般6-8個(gè)較合適)凹槽或凹孔，并根據(jù)出射光場的方向要求計(jì)算各凹槽或凹孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括凹槽或凹孔的寬度、深度、深度軌跡。通常凹孔或凹槽的寬度取為半個(gè)波長，凹孔或凹槽周期通常取入射光波長，也可以采用以下公式(1)-(4)進(jìn)行計(jì)算。
金屬通孔周圍凹槽或凹孔周期以及深度和位相關(guān)系通常確定如下hi＝(Dfi-likSP)/(neff_i-1) (1)hi為第i個(gè)凹槽深度，Dfi為根據(jù)傳統(tǒng)衍射理論計(jì)算出的第i個(gè)凹槽處與中心的位相差，li為從中心狹縫處沿金屬表面?zhèn)鞑サ降趇個(gè)凹槽的距離，neff_i由第i個(gè)凹槽寬度即式(2)、(3)決定。kSP為生成表面等離子體波波矢，由(4)式確定。
neff_i＝bTM_i/k0(2)tanh(bTM_i2-k02eairwi/2)=-eairbTM_i2-k02emembTM_i2-k02eair---(3)]]>bTM_i為TM波在金屬縫或第i個(gè)凹槽中的傳輸常數(shù)，wi為第i個(gè)金屬凹槽的寬度，k0為入射光在真空中的波矢，eair為真空的介電常數(shù)，em為金屬Ag的介電函數(shù)，neff_i為狹縫和第i個(gè)凹槽的等效折射率，ksp=k0±2pL---(4)]]>k0為所使用入射光波矢，kSP為生成表面等離子體波波矢，L為凹槽的周期；(3)以凹槽或凹孔的深度軌跡形狀為周期，對凹槽或凹孔進(jìn)行重復(fù)，凹槽或凹孔的深度軌跡構(gòu)成可為拋物面、雙曲面或其它滿足衍射理論位相關(guān)系的設(shè)計(jì)面形。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)(1)與現(xiàn)有傳統(tǒng)元件相比，提出利用金屬微納結(jié)構(gòu)調(diào)制電磁波尺度形成特殊功能器件。
(2)與現(xiàn)有技術(shù)相比，相鄰凹槽、凹孔深度由不變到以一定曲面軌跡變化，使經(jīng)微納結(jié)構(gòu)出射光場的方向控制變?yōu)榭赡?，成為設(shè)計(jì)功能器件的必要條件。
(3)通過采用開孔深度軌跡成一定曲面的金屬微納結(jié)構(gòu)對電磁波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了如納透鏡、納棱鏡及其陣列的特殊功能元件。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1微納功能元件結(jié)構(gòu)剖面圖；1，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，深度不等的一系列空氣孔，4為由空氣孔(或其它介質(zhì)孔)構(gòu)成的深度輪廓?？諝饪?或其它介質(zhì)孔)深度輪廓可以為拋物面，也可以為雙曲面等其它輪廓。實(shí)施例中空氣孔深度輪廓為球面；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1微納功能元件結(jié)構(gòu)俯視圖，1為金屬材料，2為基底表面金屬層，3為深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1微米處的能量分布。橫坐標(biāo)為位置矢量，每大格2.5微米，縱坐標(biāo)為歸一化能量分布；圖4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5微米處的能量分布。橫坐標(biāo)為位置矢量，每大格2.5微米。縱坐標(biāo)為歸一化能量分布；圖5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9微米處的能量分布。橫坐標(biāo)為位置矢量，每大格2.5微米?？v坐標(biāo)為歸一化能量分布；圖6為本發(fā)明實(shí)施例2微納功能元件結(jié)構(gòu)剖面圖，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為深度不等的一系列空氣孔，標(biāo)注4為由空氣孔(或其它介質(zhì)孔)構(gòu)成的深度輪廓。空氣孔(或其它介質(zhì)孔)深度輪廓可以為拋物面，也可以為雙曲面等其它輪廓。實(shí)施例2中空氣孔深度輪廓為球面；圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中平面波通過圖6所示金屬結(jié)構(gòu)后，在離出射面6微米處的能量分布。橫坐標(biāo)為位置矢量，每大格2.5微米?？v坐標(biāo)為歸一化能量分布；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中平面波通過圖6所示金屬結(jié)構(gòu)后，在離出射面7微米處的能量分布。橫坐標(biāo)為位置矢量，每大格2.5微米?？v坐標(biāo)為歸一化能量分布；圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中平面波通過圖6所示金屬結(jié)構(gòu)后，在離出射面9微米處的能量分布。橫坐標(biāo)為位置矢量，每大格2.5微米?？v坐標(biāo)為歸一化能量分布；
圖10為本發(fā)明實(shí)施例1中的出射光場位相需求，橫坐標(biāo)單位為微米，縱坐標(biāo)為位相；圖11為本發(fā)明實(shí)施例2中的出射光場位相需求，橫坐標(biāo)單位為微米，縱坐標(biāo)為位相。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，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。由于金屬材料介電函數(shù)對不同波長入射光有不同的響應(yīng)，針對可見光波段，選擇金屬銀Ag作為金屬材料，首先在石英基底表面蒸鍍300納米金屬銀(標(biāo)準(zhǔn)膜厚一般取為半個(gè)波長或稍小于半個(gè)波長)。根據(jù)元件的長焦深效果，通過惠更斯-菲涅耳原理得到元件光場出射面位相分布如圖10所示；(2)以微納器件光軸為中心，設(shè)置金屬通孔，根據(jù)表面等離子增強(qiáng)要求，在金屬通孔兩側(cè)或四周設(shè)置6個(gè)凹槽；根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的平面光波長焦深、亞微米級焦斑聚光效果，計(jì)算確定各凹槽的深度，進(jìn)而確定各凹槽的深度軌跡。首先根據(jù)入射光波長確定出槽寬度，然后依據(jù)(4)式確定表面等離子體波波矢kSP，和所需的出射面位相分布對應(yīng)，最后根據(jù)(1)～(3)確定出槽的深度，使出射光場滿足圖10分布，最后選擇半徑為35.4微米的球面作為凹槽的深度軌跡，如圖1、2所示。
(3)以凹槽的深度軌跡為周期，對凹槽進(jìn)行重復(fù)，構(gòu)成納米列陣元件。
(4)采用平面波垂直入射上述納米列陣元件，并對出射面的光能量分布進(jìn)行測試。圖3為距離微納結(jié)構(gòu)表面1微米處的光能量分布，圖4為距離微納結(jié)構(gòu)表面5微米處的光能量分布，圖5為距離微納結(jié)構(gòu)表面9微米處的光能量分布。
由圖3、4、5可看出，通過對凹槽的深度進(jìn)行曲面調(diào)制，微納結(jié)構(gòu)將10微米寬的平面波會聚到了約0.5微米的范圍內(nèi)，并且出射光在從1微米到9微米的范圍內(nèi)均具有很好的聚焦效果，本實(shí)施例的微納結(jié)構(gòu)具有長焦深的特點(diǎn)。
實(shí)施例2，是通過本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)平面波的長焦深、亞微米級雙光束聚光效果，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、亞微米級雙光束聚焦效果。由于金屬材料介電函數(shù)對不同波長入射光有不同的響應(yīng)，針對可見光波段，同樣選擇銀作為金屬材料。首先在石英基底表面蒸鍍300納米金屬銀，并計(jì)算出射面光場位相分布如圖11分布。
(2)以微納器件光軸為中心，在通孔兩側(cè)或四周設(shè)置多個(gè)凹槽。根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的雙光束聚光效果，根據(jù)(1)～(4)式計(jì)算確定各凹槽的深度，進(jìn)而確定各凹槽的深度軌跡以滿足圖11分布。最后，選擇半徑為24.625微米的球面作為凹槽的深度軌跡，圖6為實(shí)施例2功能原件的微結(jié)構(gòu)。
(3)以凹槽的深度軌跡為周期，對凹槽進(jìn)行重復(fù)，構(gòu)成納米列陣元件。
(4)采用平面波垂直入射上述納米列陣元件，并對出射面的光能量分布進(jìn)行測試。圖7為距離微納結(jié)構(gòu)表面6微米處的光能量分布，圖8為距離微納結(jié)構(gòu)表面7微米處的光能量分布，圖9為距離微納結(jié)構(gòu)表面9微米處的光能量分布。
由圖7、8、9可看出，通過對凹槽深度進(jìn)行曲面調(diào)制，微納結(jié)構(gòu)將10微米寬的平面波會聚成兩束光，并且出射光在從1微米到9微米的范圍內(nèi)均具有很好的雙光束聚焦效果。
本發(fā)明只對功能器件聚光功能進(jìn)行了闡述，其它功能如偏光、發(fā)散等與此原理相同。
另外，本發(fā)明的凹槽或凹孔位于金屬層上表面，同時(shí)在金屬層下表面也可以再附加微圖形使所述的功能元件，即微納結(jié)構(gòu)對光的作用進(jìn)一步增強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，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，設(shè)計(jì)功能器件的結(jié)構(gòu)，包括基底材料及金屬層結(jié)構(gòu)參數(shù)，并按照惠更斯-菲涅耳衍射理論求解功能元件表面的位相關(guān)系；(2)以上述功能器件光軸為中心，設(shè)置金屬通孔，并根據(jù)表面等離子增強(qiáng)要求，在上述金屬通孔兩側(cè)或四周設(shè)置多個(gè)凹槽或凹孔，根據(jù)出射光場的方向要求計(jì)算各凹槽或凹孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括凹槽或凹孔的寬度、深度、深度軌跡；(3)以凹槽或凹孔的深度軌跡形狀為周期，對凹槽或凹孔進(jìn)行重復(fù)，從而構(gòu)成金屬微結(jié)構(gòu)納米列陣功能元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，其特征在于所述步驟(2)中，金屬通孔周圍凹槽或凹孔周期以及深度和位相關(guān)系確定如下hi＝(Dfi-likSP)/(neff_i-1) (1)hi為第i個(gè)凹槽深度，Dfi為根據(jù)傳統(tǒng)衍射理論計(jì)算出的第i個(gè)凹槽處與中心的位相差，li為從中心狹縫處沿金屬表面?zhèn)鞑サ降趇個(gè)凹槽的距離，neff_i由第i個(gè)凹槽寬度即式(2)、(3)決定，kSP為生成表面等離子體波波矢，由(4)式確定，neff_i＝bTM_i/k0(2)tanh(bTM_i2-kC2eairwi/2)=-eairbTM_i2-k02emembTM_i2-k02eair---(3)]]>bTM_i為TM波在金屬縫或第i個(gè)凹槽中的傳輸常數(shù)，wi為第i個(gè)金屬凹槽的寬度，k0為入射光在真空中的波矢，eair為真空的介電常數(shù)，em為金屬Ag的介電函數(shù)，neff_i為狹縫和第i個(gè)凹槽的等效折射率，ksp=k0±2pL---(4)]]>k0為所使用入射光波矢，kSP為生成表面等離子體波波矢，L為凹槽的周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，其特征在于所述凹槽或凹孔的深度軌跡構(gòu)成可為拋物面、雙曲面或滿足惠更斯-菲涅耳衍射理論位相關(guān)系的設(shè)計(jì)面形。
4.基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，其特征在于所述凹槽或凹孔位于金屬層上表面，同時(shí)在金屬層下表面也可以再附加微圖形使所述的功能元件對光的作用進(jìn)一步增強(qiáng)。
全文摘要
基于金屬微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波功能器件的方法，首先根據(jù)所需功能器件出射光場的要求，設(shè)計(jì)基底材料及金屬層結(jié)構(gòu)參數(shù)，并按照衍射理論求解功能元件表面的位相關(guān)系；然后以功能器件光軸為中心，設(shè)置金屬通孔，并根據(jù)表面等離子增強(qiáng)要求，在上述金屬通孔兩側(cè)或四周設(shè)置多個(gè)凹槽或凹孔，根據(jù)出射光場的方向要求計(jì)算各凹槽或凹孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后以凹槽或凹孔的深度軌跡形狀為周期，對凹槽或凹孔進(jìn)行重復(fù)，從而構(gòu)成金屬微結(jié)構(gòu)納米列陣功能元件。本發(fā)明可將傳統(tǒng)的功能器件從微米尺度延伸到納米尺度，突破了衍射極限限制，為納光學(xué)、納電子學(xué)研究提供了重要手段。
文檔編號G02F1/35GK1725059SQ20051001213
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者杜春雷, 史浩飛, 羅先剛, 王長濤, 董小春, 高洪濤 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所