专利名称：基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法
技术领域：
本发明涉及利用金属微纳米结构对输入电磁波进行调制，实现各种电磁波(光波)功能器件(偏光、聚焦、发散)的方法。
背景技术：
传统光学中衍射极限的存在，使人们无法正常地对小于波长一半以下的结构进行观测和成像。所以人们一直致力于解决衍射极限限制问题。近来，T.W Ebbesen等人发现，通过亚波长金属孔列阵的光在某些波长能出现异常透射增强(T.W.Ebbesen，Extraordinary optical transmission throughsub-wavelength hole arrays.Nature，391，667，1998)。后来的研究表明，如果在单独的金属孔或金属狭缝周围制作出等深度的周期性凹槽，则出射光可以在某些波长具有极好的方向性，并可突破传统的衍射极限(H.J Lezec，Beaming Light from a Subwavelength Aperture.Science，297，820，2002)，这些特性与表面等离子体激元的存在有关。
上述现有的已发表的各种文献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涉及在金属膜上制作一定深度的凹槽或凹孔状周期结构，通过改变凹槽或凹孔的数量和周期，使光在远场以一定能量和很小的发散角进行传播。上述文献介绍的方法的不足是(1)出射光在近场能量不集中，传播过程中的不连续性限制了这种现象在器件中的应用；(2)尚缺少作为重要传播特征的角度调制的自由度，使电磁波的功能，如偏折、分光、聚焦等功能难以实现。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，它利用金属凹孔阵列或金属凹槽阵列(其槽或孔深变化构成曲面轮廓)实现对透射和反射光场的方向和能量调制，从而实现各种电磁波范围的特殊功能器件，如偏光、聚焦、发散等。
本发明的技术解决方案基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，通过以下步骤完成(1)根据所需功能器件(如聚焦、偏光、发散等)的要求，设计功能器件的结构，包括基底材料及金属层结构参数，并按照惠更斯-菲涅耳衍射理论求解功能元件表面的位相关系，通常是首先在基底材料表面蒸度半个波长厚度的金属层，常用的蒸度金属为银，而基底材料则主要取决于透射波长，如红外材料硅、可见光材料石英、玻璃等；(2)以上述功能器件光轴为中心(一般取垂直于金属层表面的一直线为功能器件光轴)，设置金属通孔，并根据表面等离子增强要求，在上述金属通孔两侧或四周设置多个(一般6-8个较合适)凹槽或凹孔，并根据出射光场的方向要求计算各凹槽或凹孔的结构参数，包括凹槽或凹孔的宽度、深度、深度轨迹。通常凹孔或凹槽的宽度取为半个波长，凹孔或凹槽周期通常取入射光波长，也可以采用以下公式(1)-(4)进行计算。
金属通孔周围凹槽或凹孔周期以及深度和位相关系通常确定如下hi＝(Dfi-likSP)/(neff_i-1) (1)hi为第i个凹槽深度，Dfi为根据传统衍射理论计算出的第i个凹槽处与中心的位相差，li为从中心狭缝处沿金属表面传播到第i个凹槽的距离，neff_i由第i个凹槽宽度即式(2)、(3)决定。kSP为生成表面等离子体波波矢，由(4)式确定。
neff_i＝bTM_i/k0(2)tanh(bTM_i2-k02eairwi/2)=-eairbTM_i2-k02emembTM_i2-k02eair---(3)]]>bTM_i为TM波在金属缝或第i个凹槽中的传输常数，wi为第i个金属凹槽的宽度，k0为入射光在真空中的波矢，eair为真空的介电常数，em为金属Ag的介电函数，neff_i为狭缝和第i个凹槽的等效折射率，ksp=k0±2pL---(4)]]>k0为所使用入射光波矢，kSP为生成表面等离子体波波矢，L为凹槽的周期；(3)以凹槽或凹孔的深度轨迹形状为周期，对凹槽或凹孔进行重复，凹槽或凹孔的深度轨迹构成可为抛物面、双曲面或其它满足衍射理论位相关系的设计面形。
本发明与现有技术相比有以下优点(1)与现有传统元件相比，提出利用金属微纳结构调制电磁波尺度形成特殊功能器件。
(2)与现有技术相比，相邻凹槽、凹孔深度由不变到以一定曲面轨迹变化，使经微纳结构出射光场的方向控制变为可能，成为设计功能器件的必要条件。
(3)通过采用开孔深度轨迹成一定曲面的金属微纳结构对电磁波进行调制，实现了如纳透镜、纳棱镜及其阵列的特殊功能元件。
图1为本发明实施例1微纳功能元件结构剖面图；1，基底材料，基底可以为非金属也可以为金属，2，为基底表面金属层，3，深度不等的一系列空气孔，4为由空气孔(或其它介质孔)构成的深度轮廓。空气孔(或其它介质孔)深度轮廓可以为抛物面，也可以为双曲面等其它轮廓。实施例中空气孔深度轮廓为球面；图2为本发明实施例1微纳功能元件结构俯视图，1为金属材料，2为基底表面金属层，3为深度不等的一系列空气孔；图3为本发明实施例1中平面波通过图1所示金属结构后，在离出射面1微米处的能量分布。横坐标为位置矢量，每大格2.5微米，纵坐标为归一化能量分布；图4为本发明实施例1中平面波通过图1所示金属结构后，在离出射面5微米处的能量分布。横坐标为位置矢量，每大格2.5微米。纵坐标为归一化能量分布；图5为本发明实施例1中平面波通过图1所示金属结构后，在离出射面9微米处的能量分布。横坐标为位置矢量，每大格2.5微米。纵坐标为归一化能量分布；图6为本发明实施例2微纳功能元件结构剖面图，1为基底材料，基底可以为非金属也可以为金属，2为基底表面金属层，3为深度不等的一系列空气孔，标注4为由空气孔(或其它介质孔)构成的深度轮廓。空气孔(或其它介质孔)深度轮廓可以为抛物面，也可以为双曲面等其它轮廓。实施例2中空气孔深度轮廓为球面；图7为本发明实施例2中平面波通过图6所示金属结构后，在离出射面6微米处的能量分布。横坐标为位置矢量，每大格2.5微米。纵坐标为归一化能量分布；图8为本发明实施例2中平面波通过图6所示金属结构后，在离出射面7微米处的能量分布。横坐标为位置矢量，每大格2.5微米。纵坐标为归一化能量分布；图9为本发明实施例2中平面波通过图6所示金属结构后，在离出射面9微米处的能量分布。横坐标为位置矢量，每大格2.5微米。纵坐标为归一化能量分布；
图10为本发明实施例1中的出射光场位相需求，横坐标单位为微米，纵坐标为位相；图11为本发明实施例2中的出射光场位相需求，横坐标单位为微米，纵坐标为位相。
具体实施例方式
实施例1，通过本发明方法实现平面波的长焦深、亚微米级焦斑聚光效果，其实施过程如下(1)本实施例需要采用微纳结构实现平面光波的长焦深、亚微米级焦斑聚焦效果。由于金属材料介电函数对不同波长入射光有不同的响应，针对可见光波段，选择金属银Ag作为金属材料，首先在石英基底表面蒸镀300纳米金属银(标准膜厚一般取为半个波长或稍小于半个波长)。根据元件的长焦深效果，通过惠更斯-菲涅耳原理得到元件光场出射面位相分布如图10所示；(2)以微纳器件光轴为中心，设置金属通孔，根据表面等离子增强要求，在金属通孔两侧或四周设置6个凹槽；根据需要实现的平面光波长焦深、亚微米级焦斑聚光效果，计算确定各凹槽的深度，进而确定各凹槽的深度轨迹。首先根据入射光波长确定出槽宽度，然后依据(4)式确定表面等离子体波波矢kSP，和所需的出射面位相分布对应，最后根据(1)～(3)确定出槽的深度，使出射光场满足图10分布，最后选择半径为35.4微米的球面作为凹槽的深度轨迹，如图1、2所示。
(3)以凹槽的深度轨迹为周期，对凹槽进行重复，构成纳米列阵元件。
(4)采用平面波垂直入射上述纳米列阵元件，并对出射面的光能量分布进行测试。图3为距离微纳结构表面1微米处的光能量分布，图4为距离微纳结构表面5微米处的光能量分布，图5为距离微纳结构表面9微米处的光能量分布。
由图3、4、5可看出，通过对凹槽的深度进行曲面调制，微纳结构将10微米宽的平面波会聚到了约0.5微米的范围内，并且出射光在从1微米到9微米的范围内均具有很好的聚焦效果，本实施例的微纳结构具有长焦深的特点。
实施例2，是通过本发明方法实现平面波的长焦深、亚微米级双光束聚光效果，其实施过程如下(1)本实施例需要采用微纳结构实现平面光波的长焦深、亚微米级双光束聚焦效果。由于金属材料介电函数对不同波长入射光有不同的响应，针对可见光波段，同样选择银作为金属材料。首先在石英基底表面蒸镀300纳米金属银，并计算出射面光场位相分布如图11分布。
(2)以微纳器件光轴为中心，在通孔两侧或四周设置多个凹槽。根据需要实现的双光束聚光效果，根据(1)～(4)式计算确定各凹槽的深度，进而确定各凹槽的深度轨迹以满足图11分布。最后，选择半径为24.625微米的球面作为凹槽的深度轨迹，图6为实施例2功能原件的微结构。
(3)以凹槽的深度轨迹为周期，对凹槽进行重复，构成纳米列阵元件。
(4)采用平面波垂直入射上述纳米列阵元件，并对出射面的光能量分布进行测试。图7为距离微纳结构表面6微米处的光能量分布，图8为距离微纳结构表面7微米处的光能量分布，图9为距离微纳结构表面9微米处的光能量分布。
由图7、8、9可看出，通过对凹槽深度进行曲面调制，微纳结构将10微米宽的平面波会聚成两束光，并且出射光在从1微米到9微米的范围内均具有很好的双光束聚焦效果。
本发明只对功能器件聚光功能进行了阐述，其它功能如偏光、发散等与此原理相同。
另外，本发明的凹槽或凹孔位于金属层上表面，同时在金属层下表面也可以再附加微图形使所述的功能元件，即微纳结构对光的作用进一步增强。
权利要求
1.基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，其特征在于通过以下步骤完成(1)根据所需功能器件出射光场的要求，设计功能器件的结构，包括基底材料及金属层结构参数，并按照惠更斯-菲涅耳衍射理论求解功能元件表面的位相关系；(2)以上述功能器件光轴为中心，设置金属通孔，并根据表面等离子增强要求，在上述金属通孔两侧或四周设置多个凹槽或凹孔，根据出射光场的方向要求计算各凹槽或凹孔的结构参数，包括凹槽或凹孔的宽度、深度、深度轨迹；(3)以凹槽或凹孔的深度轨迹形状为周期，对凹槽或凹孔进行重复，从而构成金属微结构纳米列阵功能元件。
2.根据权利要求1所述的基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，其特征在于所述步骤(2)中，金属通孔周围凹槽或凹孔周期以及深度和位相关系确定如下hi＝(Dfi-likSP)/(neff_i-1) (1)hi为第i个凹槽深度，Dfi为根据传统衍射理论计算出的第i个凹槽处与中心的位相差，li为从中心狭缝处沿金属表面传播到第i个凹槽的距离，neff_i由第i个凹槽宽度即式(2)、(3)决定，kSP为生成表面等离子体波波矢，由(4)式确定，neff_i＝bTM_i/k0(2)tanh(bTM_i2-kC2eairwi/2)=-eairbTM_i2-k02emembTM_i2-k02eair---(3)]]>bTM_i为TM波在金属缝或第i个凹槽中的传输常数，wi为第i个金属凹槽的宽度，k0为入射光在真空中的波矢，eair为真空的介电常数，em为金属Ag的介电函数，neff_i为狭缝和第i个凹槽的等效折射率，ksp=k0±2pL---(4)]]>k0为所使用入射光波矢，kSP为生成表面等离子体波波矢，L为凹槽的周期。
3.根据权利要求1所述的基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，其特征在于所述凹槽或凹孔的深度轨迹构成可为抛物面、双曲面或满足惠更斯-菲涅耳衍射理论位相关系的设计面形。
4.基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，其特征在于所述凹槽或凹孔位于金属层上表面，同时在金属层下表面也可以再附加微图形使所述的功能元件对光的作用进一步增强。
全文摘要
基于金属微纳结构实现电磁波功能器件的方法，首先根据所需功能器件出射光场的要求，设计基底材料及金属层结构参数，并按照衍射理论求解功能元件表面的位相关系；然后以功能器件光轴为中心，设置金属通孔，并根据表面等离子增强要求，在上述金属通孔两侧或四周设置多个凹槽或凹孔，根据出射光场的方向要求计算各凹槽或凹孔的结构参数；最后以凹槽或凹孔的深度轨迹形状为周期，对凹槽或凹孔进行重复，从而构成金属微结构纳米列阵功能元件。本发明可将传统的功能器件从微米尺度延伸到纳米尺度，突破了衍射极限限制，为纳光学、纳电子学研究提供了重要手段。
文档编号G02F1/35GK1725059SQ20051001213
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月8日 优先权日2005年7月8日
发明者杜春雷, 史浩飞, 罗先刚, 王长涛, 董小春, 高洪涛 申请人:中国科学院光电技术研究所