三维等离激元超透镜、基于其生成手性和非手性成像方法

本发明涉及超透镜设计，尤其是指一种三维等离激元超透镜、基于其生成手性和非手性成像方法。

背景技术：

1、与传统的体光学系统相比，超透镜由于其重量轻、集成度高和多功能的特点而受到了极大的关注，它们已经成功应用在消色差成像、多光谱成像、虚拟/增强现实、生物成像和偏振成像等领域。pancharatnam-berry相位(p-b相位，几何相位)是一种常见的超透镜相位调控方式，其中p-b相位仅对特定的右旋圆偏振(right-handed circularly polarized，rcp)或左旋圆偏振(left-handed circularly polarized，lcp)入射光起作用并且要和纳米结构的方位角相匹配。2016年，在可见光波段的rcp光波入射下，基于p-b相位的tio2超透镜被实验证明可用于衍射极限的聚焦和亚波长分辨率的成像。然而，基于p-b相位的超透镜受到相位调控原理的限制，即只能用于圆偏振光，这就导致自然光入射时理论能量效率只有50％。自然光入射下，偏振无关超透镜也被提出并证明，这打破了入射偏振态的限制。基于具有4倍对称性纳米结构和对称相位分布的超透镜已经成功应用在并消色差成像和集成成像领域中。光的强度信息和波长信息可以通过这些偏振无关超透镜获得，但缺少对光波偏振信息的探测。

2、与物体的强度图像不同，偏振成像可以获得物体的更多信息，例如表面细节和组成材料。特别是手性成像极为重要，通过精确提取来自物体的rcp和lcp光波成分，可以分析物体(例如生物细胞)的结构和的材料手性特征。传统的手性成像是通过结合圆偏振二向色性超表面和成像系统来实现的，其中具有超表面的纳米结构具有手性并提取不同的圆偏振信息，例如三维金螺旋丝/螺旋面阵列、二维z字形和万字型纳米结构。由于只有想要的偏振分量(例如rcp)被透射的，而其正交分量(例如lcp)被反射的，因此对于自然光入射，这些超表面的能量效率也被限制在50％。

3、在中红外波段，一种集成了成像和圆二色性双功能的手性超透镜被提出并进行了实验证明，其中三维金螺旋面纳米结构被用于实现圆偏振二向色性，螺旋面纳米结构的方位角按照p-b相位排布以聚焦透射的圆偏振光。然而，这些工作仅针对一种偏振态进行设计，并且由于圆二向色性的机理，效率也被限制在50％。由两套交织的tio2纳米柱构成的多光谱手性成像超透镜在可见光波段得到验证，其中一套纳米柱的方位角按照rcp光波对应的p-b相位排布，而另一套纳米柱的方位角按照lcp光波对应的p-b相位排布。因此，rcp和lcp入射光可以在不同位置成像，从而产生手性图像。然而，由于p-b相位的设计机理，效率也被限制在50％。

4、通过组合p-b相位和传播相位，可以通过一套纳米结构同时实现一对正交椭圆偏振光的操作。在532nm设计波长下，由不同尺寸和方位角的tio2纳米柱阵列构成的手性成像超透镜被实验证明，rcp和lcp入射光波被一套纳米结构成像在不同空间位置。类似地，由一套si纳米柱构成的手性成像超透镜也在980nm的设计波长下进行了仿真验证。这些超透镜可以获得物体的手性图像，但不能直接获得强度图像(偏振无关图像)，这限制了其在一般成像领域的应用。对于特定的圆偏振入射，这些超透镜中只能获得一个焦点或像。

5、由此可见,上述超透镜存在能量效率较低、对特定的圆偏振入射只能获得一个焦点或像、缺少对偏振信息探测等缺点，并且上述所有的工作均是利用具有固定高度的纳米结构实现相应的成像功能，其中纳米结构的高度作为一个常量被优化到相对较高的高度，以保证仅通过改变面内尺寸/几何形状来实现对一个或一对圆偏振光的全相位操作(0-2π)和高的效率。然而，对于高度固定的纳米结构，全相操纵(0-2π)和高效率的性能必须通过高折射率材料实现，而低折射率纳米结构难以实现这些性能。不难发现，具有固定高度的纳米结构受到高折射率材料和高深宽比的限制，因此需要对超透镜的纳米结构进行改进，以提高超透镜的各种性能。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中超透镜的纳米结构受到高度限制，各种超透镜功能不能同时具备且高能量效率不能同时实现的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维等离激元超透镜：包括：

3、二氧化硅衬底，所述二氧化硅衬底的上表面设置有金属层；

4、若干纳米柱，穿过所述金属层并设置于二氧化硅衬底上，其中，若干所述纳米柱具有不同高度且纳米柱的横截面呈椭圆形，每个所述纳米柱的椭圆形横截面具有不同的横轴长度和纵轴长度，每个所述纳米柱横截面以x轴所在直线旋转到纳米柱横截面纵轴长度所在直线形成的方位角不同，每个纳米柱椭圆形横截面与其相邻纳米柱椭圆形横截面中心点之间的距离相同；每个所述纳米柱的上表面设置有金属膜。

5、在本发明的一个实施例中，所述纳米柱的方位角公式为：

6、

7、其中，φc(x,y)表示在rcp光波入射下，手性通道中对应于同偏振分量的相位分布；表示rcp光波入射下，经纳米柱反射的同偏振分量的相位。

8、在本发明的一个实施例中，若干所述纳米柱按阵列方式穿过所述金属层并设置于二氧化硅衬底上。

9、在本发明的一个实施例中，所述每个纳米柱椭圆形横截面与其前后左右相邻纳米柱椭圆形横截面中心点之间的距离p＝800～1200nm。

10、在本发明的一个实施例中，所述纳米柱上表面的金属膜厚度d＝70～150nm。

11、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于三维等离激元超透镜生成手性和非手性成像方法，其特征在于：包括：

12、非偏振光进入如上述三维等离激元超透镜，形成rcp光波和lcp光波；

13、对于强度为ircp,in的rcp光波入射，被所述三维等离激元超透镜反射为具有强度为ircp,in/2的同偏振分量和具有强度为ircp,in/2的交叉偏振分量；对于强度为ilcp,in的lcp光波入射，被所述三维等离激元超透镜反射为强度为ilcp,in/2的交叉偏振分量、且同偏振分量被漫反射；

14、其中，强度为ircp,in/2的交叉偏振分量和强度为ilcp,in/2的交叉偏振分量形成非手性成像；强度为ircp,in/2的同偏振分量形成手性成像。

15、在本发明的一个实施例中，所述非手性成像的强度公式为：

16、在本发明的一个实施例中，所述手性成像的强度公式为：

17、在本发明的一个实施例中，所述手性通道相位φc(x,y)和非手性成像通道相位φa(x,y)对应的离轴相位公式分别为：

18、

19、

20、其中，λd表示设计波长，fz表示沿z轴的焦距，xc表示手性成像通道沿x轴聚焦位置，xa表示非手性成像通道沿x轴聚焦位置，(x,y)表示超透镜面上的位置坐标。

21、在本发明的一个实施例中，还包括：计算所述非偏振光的偏振状态，所述偏振状态包括左旋圆偏振状态和右旋圆偏振状态；

22、所述左旋圆偏振状态的公式为：

23、所述右旋圆偏振状态的公式为：

24、其中，表示非手性成像的强度，表示手性成像的强度。

25、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

26、本发明提出的三维等离激元超透镜(3d-pm)可以同时用于手性和非手性成像、以及偏振检测，3d-pm结合了传播相位和几何相位的功能，使得入射的两个正交圆偏振分量可以精确地分离并成像到两个通道中，并且可以通过两个通道图像的矢量差分来检测入射偏振态；

27、本发明的3d-pm采用一组由au层覆盖的椭圆纳米柱(pmma)组成的阵列，并将每个纳米柱的高度作为新的设计自由度引入至超透镜中，利用等效f-p腔和局部表面等离激元(local surface plasmon，lsp)的耦合以同时实现全相位调控(0-2π)和高效率(>0.85)；

28、本发明在1550nm的设计波长下，通过实验结果表明，手性和非手性图像的光学分辨率都接近衍射极限，两个通道中圆偏振的消光比约为33:1，3d-pm的能量效率约为63％，rcp和lcp分量的强度检测误差约为5％，各种性能参数较佳，可应用于集成光学、光学通信和生物分子检测。