一种三段式表面等离激元透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面等离激元，尤其是涉及可实现超小焦点的一种三段式表面等离激 元透镜。
【背景技术】
[0002] 表面等离激元（Surface Plasmon Polariton)是一种局域在金属/介质表面的电 磁场表面模式，其特点是电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减;并且以大于介 质中同频率光子的波数沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现 能量转换。这使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操 控。基于表面等离激元的各种功能器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引 着众多科研人员的关注。
[0003] 在众多表面等离激元的平面光子学器件中，对表面等离激元的透镜件研究一直是 表面等离激元器件研究的热点，这是因为实现聚焦直接关系到显微成像、探测、光存储、光 镊等应用功能目前实现二维表面等离激元聚焦的结构主要有以下方案：（1)利用在金属表 面构建突起结构对传播途径中的表面等离激元作波前调控实现聚焦；（2)利用纳米颗粒构 成抛物线和圆弧聚焦表面等离激元；（3)在金属表面制备圆形光栅聚焦表面等离激元；（4) 利用光栅段作为基本结构单元的表面等离激元透镜等。虽然这几种方案的核心思想都是利 用表面等离激元的电磁场在焦点处的相位完全相干增强而聚焦，但在具体的实现上稍有不 同。在方案（1)和(2)中表面等离激元的激发和相位调控是两个独立的过程：即先通过金属 上的窄条突起或纳米洞点阵(作为天线)先实现远场光到表面等离激元的转换耦合;其次再 利用金属表面微纳米结构对波前进行整形。而在方案(3)和(4)中，表面等离激元的相位在 激发的同时就已经被设计确定，即表面等离激元的激发耦合和相位控制结构合二为一。在 上述众多的表面等离激元透镜件中，最受广泛关注的是方案(3)中的圆型透镜，其结构是刻 在金属膜上的单个或多个同心圆环槽构成。由于圆的几何对称性，相比于线偏振光照明，若 采用径向偏振光(Radially Polarized Light)激发，将能明显提高聚焦效果，得到更强的 焦点和更小的焦点半宽（G · Μ · Lerman，A.Yanai, and U.Levy, "Demonstration of nanofocusing by the use of plasmonic lens illuminated with radially polarized light?，,Nano Lett.9,2139(2009)；ff.Chen, D.C.Abeysinghe,R.L.Nelson,and Q.Zhan, "Plasmonic lens made of multiple concentric metallic rings under radially polarized illumination"，Nano Lett.9,4320(2009))D这是因为表面等离激元是横磁波， 只有垂直于光栅结构的偏振分量才能有效激发。径向偏振照明时，光偏振方向处处垂直圆 型光栅，各个位置都能同强度激发沿圆心传播的表面等离激元。而用线偏振光作为激发源 时，实际上并未完全利用到整个圆型光栅结构，特别是在偏振方向平行圆弧切线的位置，表 面等离激元的激发效率很低（A· V· Zayatsa，I · I · Smolyaninovb，and A· A.Maradudinc， "Nano-optics of surface plasmon polaritons"，Phys · Reports 408，131 (2005)) 〇但是 采用径向偏振激发的方案存在两大问题:首先产生径向偏振光需预先将线偏振光作一定处 理，这给实际应用带来不便;其次径向偏振照明存在光源和结构的对准问题，即需要保证激 发光斑的中心处在圆型透镜的圆心上。考虑到透镜的尺寸（~直径几十微米），实现起来并 不容易。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供可实现超小焦点的一种三段式表面等离激元透镜。
[0005] 本发明由三层刻蚀在金属表面的矩形凹槽组成，在垂直于金属表面入射的线偏振 光照明下，将形成突破衍射极限的越小尺寸表面等离激元焦点，所述矩形凹槽的宽度W均为 入/2,其中λ是表面等离激元的波长，每层凹槽的中心位置均分布在三条线段上，对于第i层 (i = l，2,3)，其轨迹由以下分段函数给出：
[0007]其中f是焦距，(1 = 2λ/3是水平线段部分的层间距，α和β是两个需要优化的参数，式 (1)中的"+"和号分别对应X 2 [f+(i_l)d]tana和X < -[f+(i-l)d]tana;每层凹槽的长度 和中心位置按照如下设计:第i层凹槽的左侧边和右侧边中点到焦点的距离分别满足f+(i_ l)d+U/3和f+(i-l)d+(k+l)X/3,其中整数k称为凹槽的级次，k按如下方式取值，使同一层 相邻两个凹槽的k相差3,即：
[0009]各个凹槽对应于传统波带片中的菲尼尔带(fresnel zone)。当沿y方向偏振的平 面波垂直金属表面照明结构时，表面等离激元将在各个凹槽上被同相激发，且传播到焦点 处时相长干涉形成焦点。
[0010]本发明只需线偏振光激发就能达到和径向偏振照明圆型透镜相同的性能:焦点具 有旋转对称性(rotational symmetry);焦点半宽相同。
[0011]本发明的结构可保证每一个凹槽的取向和偏振方向均能成一定角度，有效避免在 线偏振照明圆形透镜时，在偏振方向平行圆弧切线的位置表面等离激元不被激发的缺点。 本发明具有如下优点：
[0012] 1、安排在倾斜线段部分凹槽能提供大角度汇聚的表面等离激元波，显著提高了透 镜的数值孔径，因此能使实现超分辨率聚焦，即焦点光斑沿X方向的半高全宽非常小，这一 点是传统波带片做不到的。
[0013] 2、通过对各个凹槽"舍去"或者"保留"调整各角度汇聚波的权重，可以进一步优化 焦点的尺寸。
[0014] 3、若将两个同样的三段式表面等离激元透镜上下相对放置(参见图3)，则只需要 在线偏振光照明下，将生成超高分辨率且旋转对称的焦点，其在X和y两个方向上的半高全 小至λ〇/3,突破λ〇/2的衍射极限，这里λ〇是入射光的真空波长。这里两个焦点相距λ/2是考虑 到从上下两个透镜激发的表面等离激元具有η的相位差。
[0015] 4、三段式表面等离激元透镜配合线偏振光束就能达到圆型透镜配合径向偏振光 束照明是的聚焦效果，同时避免了后者存在的光束中心和结构中心的对准问题，由于只需 同时线偏振光，降低了实施的成本。
【附图说明】