一種低損耗平面超透鏡的製作方法
2023-09-24 00:30:25 1
一種低損耗平面超透鏡的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供低損耗平面超透鏡，平面超透鏡是由交替出現的深色和淺色的多層膜組成，層數在20層到30層之間，深色部分是增益層，淺色部分是金屬材料層，增益層材料厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm；最頂層為金屬層，最底層為增益層。本新型的超透鏡的解析度很高，重量很輕和厚度很薄，並且由於是一個平面結構，很容易集成和利用。
【專利說明】一種低損耗平面超透鏡
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光學領域，尤其涉及一種光學透鏡。
【背景技術】
[0002]應用領域:需要用到高解析度，超輕，超薄的平面透鏡的領域，尤其是低損耗的平面超透鏡的設計方面。
[0003]傳統的光學顯微鏡一存在衍射極限，沒有辦法觀察到波長二分之一以下的細節，而且需要用到非常複雜的光學系統，儀器整體體積很大，重量很重。
[0004]近場掃描顯微鏡一雖然突破了衍射極限，但是由於其採用了近場單點掃描的方式，測量速度非常的慢，而且儀器價格非常的昂貴，比較重，另外顯微鏡臺的尺寸也非常不適合便攜攜帶。
[0005]普通的基於超材料的超透鏡一通過收集近場光線來成像，能突破衍射極限，理論上解析度可以達到無限小，而且超透鏡是很輕、很薄的平面結構，攜帶方便。但是由於製備過程中使用的金屬材料損耗的存在，嚴重的影響超透鏡的分辨能力，使得目前為止最好的解析度只達到波長的六分之一，繼續降低超材料的解析度需要解決損耗的問題。
[0006]一直困擾現在的光學系統。如果能夠突破這個極限，光學系統可能具有巨大的潛力，也將在改進聚焦成像、生物傳感、光存儲及光刻技術等方面都有應用。比如，傳統的光學顯微鏡由於受到衍射極限的限制，使得解析度最高能夠達到200納米左右，隨著生物研究的不斷發展和電子電路集成度的不斷提高，對更高解析度的成像技術提出了迫切的要求，傳統的光學顯微鏡的衍射極限已經成為了制約納米微加工技術進一步發展的瓶頸，相同的情況還出現在生物分子探測以及微納結構成像方面，所以改進光學系統的分辨能力成為了光學的一個研究重點。然而在實際的情況下，有的技術比如近場掃描顯微鏡等雖然突破了衍射極限，但是由於其採用了近場單點掃描的方式，測量速度非常的慢，而且儀器價格非常的昂貴，比較重，另外顯微鏡臺的尺寸也非常不適合便攜攜帶，這對為實際的大規模應用來說是非常困難的。
[0007]在光學成像領域中一直存在一個基本的障礙，即衍射極限。為了獲得更清晰的成像，人們一直在不斷的探索各種可能的解決辦法。早在半個世紀前，前蘇聯科學家Veselago在提出負折射率材料的概念時曾預言，利用折射率n=_l的負折射率平板材料能實現亞波長解析度的成像。2000年，Pendry從理論上指出，採用負折射率材料之所以能夠突破衍射極限，設計出超透鏡，是因為負折射率材料能夠放大倏逝波，當倏逝波入射到位於物體近場區與負折射率材料的表面時，它的振幅會被放大，直到在通過負折射率材料之後，倏逝波的振幅會再次發生指數衰減，並在成像面上恢復到物點位置時倏逝波的振幅，而行波分量則會在負折射率材料中傳播、聚焦。倏逝波和行波在成像面上形成完美的、沒有精細信息缺失的像。2003年，人們首次在實驗上觀察到倏逝波在通過銀薄膜時振幅呈指數放大的現象，接下來的一系列實驗都驗證了 Pendry提出的超透鏡成像理論。2005年，Zhang研究小組利用介電常數為負的納米尺度的銀薄膜成功地實現了 365納米的超解析度成像，解析度為λ /6。根據類似的原理，隨後人們藉助碳化矽材料在中紅外波段介電常數為負而且低損耗的特性，製備出具有更高解析度的超透鏡，解析度達1/20。雖然從理論上來說，平面超透鏡成像的分辨極限是可以無窮小的，然而由於所用的金屬材料本身存在著吸收損耗，所以目前為止在實驗上能獲得的最小的解析度仍然在1/20以內。進一步降低平面超透鏡的解析度極限必須從設計上進行更新，特別是對於可見光波段來說。
實用新型內容
[0008]為了同時達到高解析度、重量較輕和平面結構的目的，針對由於金屬損耗的存在從而約束了平面超透鏡的解析度的問題，本實用新型提供了一種低損耗平面超透鏡，平面超透鏡是由交替出現的深色和淺色的多層膜組成，層數在20層到30層之間，深色部分是增益層，淺色部分是金屬材料層，增益層材料厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm ;最頂層為金屬層，最底層為增益層。
[0009]作為本實用新型的進一步改進，金屬材料層為銀層。
[0010]作為本實用新型的進一步改進，增益層為有機發光材料層。
[0011]作為本實用新型的進一步改進，有機發光材料層為若丹明加Alq3的複合材料層。
[0012]作為本實用新型的進一步改進，增益層材料厚度Wg和金屬層厚度Wm的單位為nm，數值取值範圍為10至50。
[0013]本實用新型的有益效果是:
[0014]解析度高，該結構能夠保證在可見光波段，超透鏡的解析度在波長的1/20以下。
[0015]工作波長可調，對比於以前的利用單層金屬膜製備出來的超透鏡，這個超透鏡的工作波長可以通過調節金屬、增益介質的厚度和折射率來實現可調。
[0016]超高解析度、超輕、超薄的平面結構，相比於傳統的光學顯微鏡和原子力顯微鏡，這種超透鏡的解析度很高，重量很輕和厚度很薄，並且由於是一個平面結構，很容易集成和利用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型結構示意圖；
[0018]圖2是本實用新型工作方式示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本實用新型做進一步說明。
[0020]為了同時達到高解析度、重量較輕和平面結構的目的，針對由於金屬損耗的存在從而約束了平面超透鏡的解析度的問題，本實用新型提出了一種低損耗的平面超透鏡的新設計，在該設計中，利用發光的增益材料比如染料和量子點等對平面超透鏡中的金屬損耗進行補償。利用增益介質補償超材料體系包括等離子體材料、負折射率材料和超磁材料等的金屬損耗已經在理論上開展了很多的研究，展示了在改善超材料性能上的巨大潛力，給超材料領域的研究帶來了新的活力。目前為止作為損耗補償的材料包括染料和量子點等，利用增益介質來降低平面超透鏡中的損耗雖然從理論和模擬上來說是非常有效的，然而增益介質的選擇和增益介質所處的位置是非常重要，需要對其使用的結構進行細緻的設計。因此本實用新型提出了以下的設計:
[0021]該結構中，整個平面超透鏡是由交替出現的深色和淺色的多層膜組成，層數的多少會決定整個超透鏡的透過率，可以根據實際應用的需要進行選擇(在20層到30層之間)。深色部分是增益材料，如染料和量子點等，淺色部分是金屬材料，通過調節金屬和增益介質的厚度Wg和Wm和增益介質的折射率n，使得超透鏡工作在目標的波長。
[0022]該設計的製備步驟如下:
[0023]1.在平整的紫外透明基底上利用真空熱蒸鍍的辦法蒸鍍上厚度為Wg的增益層，如有機發光材料(比如若丹明加Alq3的複合材料)。Alq3:三(8_羥基喹啉)鋁。
[0024]2.在步驟I得到的膜的基礎上，利用電子束蒸鍍的辦法鍍上厚度為Wm的金屬銀膜，採用電子束蒸鍍的辦法是為了得到損耗最小、表面最平整的銀膜。
[0025]3.在步驟2得到的平面膜的上面交替鍍上周期性的增益層(厚度都為Wg)和金屬層(厚度都為Wm)多層膜。
[0026]4.最後在表面上再鍍上厚度為Wg的增益層作為保護層，防止銀在空氣中氧化。從而得到工作在可見光波段的低損耗的平面超透鏡。
[0027]具體隔層厚度的選擇可舉例如下:當ffg=40nm, Wm=30nm和n=l.62的時候,超透鏡的工作波長是在620nm附近，這時候可以選擇若丹明系列染料作為增益介質。該透鏡的工作方式如圖所示，一束外來的雷射激活增益介質，在增益介質分子內部形成了粒子束反轉，從而放大了垂直入射的工作光束。
[0028]該結構有的優勢如下:
[0029]1.通過設計金屬和增益介質的厚度和折射率，能夠使得超透鏡的工作波長出現可調性，這與傳統的單層金屬膜組成的超透鏡只有唯一的工作波長不同。
[0030]2.利用增益介質能夠提高超透鏡的分辨能力，而且結構又是平面結構，膜的總厚度僅有幾百個納米，能夠同時實現高解析度、超輕、超薄的平面超透鏡。
[0031]以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種低損耗平面超透鏡，其特徵在於:平面超透鏡是由交替出現的深色和淺色的多層膜組成，層數在20層到30層之間，深色部分是增益層，淺色部分是金屬材料層，增益層材料厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm ;最頂層為金屬層，最底層為增益層；增益層為有機發光材料層。
2.根據權利要求1所述的一種低損耗平面超透鏡，其特徵在於:金屬材料層為銀層。
3.根據權利要求1所述的一種低損耗平面超透鏡，其特徵在於:增益層材料厚度Wg和金屬層厚度Wm的單位為nm，數值取值範圍為10至50。
【文檔編號】G02B3/00GK203705671SQ201320725458
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】肖淑敏, 宋清海, 孫上 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院