一種高透過率三維亞波長金屬結構透鏡的製作方法

2023-12-11 13:09:47 1

專利名稱：一種高透過率三維亞波長金屬結構透鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種透鏡設計方法，具體地說是一種高透過率三維亞波長金屬結構透鏡。
技術背景1998年，Ebbessen等人發現當光通過亞波長金屬孔陣列時，其零階透射光譜在某些 波長的透射率數值比經典孔徑理論的期望值大幾個數量級。這項發明引起了人們極大的興 趣，對異常透射現象的研究也隨之成為熱潮。此時的研究對象主要集中於二維周期性排列 的孔陣列和單個亞波長金屬孔，所有與異常透射有關的因素金屬結構本身的幾何形狀， 材料，結構大小，相對位置，入射光的頻率和偏振方向，周期性排列方式，以及亞波長結構周圍介質種類等一一被揭露。通過實驗觀察和理論建模得出的結果顯示組成二維金屬孔面陣的各線陣間存在電磁耦合作用。當兩條線陣間距約等於線陣內孔的周期時透射最大， 即耦合作用最明顯。同等面積的矩形孔比圓孔具有更高的透射率。對於單個矩形孔來說， 其長短邊比值越大，面積均一化的透射率也越大。採用其他方法比如在孔內填充介質，也 可以提高透射。但是這些研究均集中在透過率增強方面，為了設計高透過率的亞波長光學器件，必須研究其相位特性，國內史浩飛研究了二維金屬縫對相位的調製特性(參見Haofei Shi, Changtao Wang, Chunlei Du， Xiangang Luo, Xiaochun Dong, Hongtao Gao，"Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths," OPTICS EXPRESS Vol. 13， No. 18, 6815， 2005)，羅先剛(參X丄uo,H.Wang,J.Shi,andH.Yao,Mod.Phys丄ett,B 18,1181,2004 and X丄uo andT.Ishihara,Appl.Phys丄ett.84,4780,2004)研究了二維金屬槽對相位的調製特性，但 是只能實現相位在0到"之間的調製，無法進行實際的高效率的三維亞波長金屬結構透鏡 的設計。國內陳豔中等人進行了實際的三維亞波長金屬結構透鏡的設計，但是透過率不高， 給出不高的值，只能達到30%左右。 發明內容本發明的技術解決問題是針對現有三維亞波長金屬結構透鏡透過率不高的問題，提 出了一種可超過60%的高透過率三維亞波長金屬結構透鏡。 本發明的技術解決方案包括下列步驟 (1)確定入射波長義、基底材料以及金屬材料。入射波長根據工作波長來確定，基底材料根據入射波長來確定，原則是要使入射波長透過，金屬材料選擇可以激發表面等離子 體的材料金、銀、銅、鋁。(2) 確定基底材料口徑為L，金屬層的厚度為/2,基底放置於矽平面且中心在原點處， 假設入射光垂直於基底沿2軸正方向入射。口徑是根據具體系統中的需要而確定的，厚度是 通過反覆選取不同的深度值，然後再計算每一厚度下所需製作的孔的尺寸，選擇能使得制 作最方便的厚度值。(3) 在金屬板上坐標(u)處製作邊長為"的空氣孔，根據公式(1)得到該點出射面 的相位跟金屬孔邊長之間的關係A V 4,其中pOc，力表示該點的相位，義表示入射波長，A表示金屬層的厚度，。表示金屬板上 空氣孔的邊長，通過在金屬板上製作空氣孔，完成該點處所需的相位調製；(4) 在金屬板上並行排列兩個空氣孔，其邊長分別為a,和^，其中心間距為d，計算 得到d-0.95A兩孔出射面的最大能量，即最大透過率。在金屬板上並行排列兩個空氣孔， 其邊長分別為^和A,其中心間距為"，不斷變換^的值，同時對每一個^值計算兩孔出射 面的能量，發現當"-0.95A時出射面的能量最大，即此時的透過率最大，所以該間距數值可以作為抽樣的標準，最大透過率=^^， Sout，Sint分別代表在以該間距進行抽樣的情況下，出射面的能量以及入射面的能量,ss。u,和2;&。分別表示出射面和入射面能量之和。(5) 由所設計的透鏡焦距/，通過衍射理論求得表面任意點(x， j)處的相位p，該相位與該點位置以及入射波長之間的關係為p(x，;;)-2m;r + y(Vx +_y2+/2 一/) (2) 其中m為任意整數，選取w值，使得相位p(x,力處於-;r到;r之間。m值的選取首先利用公式^Oc，力-年0v/ + /2 -/)計算得到相位值，如果該相位值不在- r到7r之間，比如其值為3.5;r，那麼此時選擇w的值為一2，使得^c,j/) = 2附"+與(^2+/+ /2 —/)等於義—0.5;r，在-;r到;r之間，使得相位伊O,力處於-"到"之間。(6)在金屬板上進行取樣，取樣間隔為0.95;1，取樣點按正方形排布，根據步驟(5) 中的公式(2)計算得到每個抽樣點的相位延遲，然後根據步驟(1)中的公式(1)計算得 到每一取樣點所對應空氣孔的大小，從而在金屬板中嵌入不同大小的空氣孔結構，從而完成大視場金屬結構透鏡的設計；(7)利用現有加工方法對上述設計所得的透鏡進行製作，得到高透過率三維亞波長金 屬結構透鏡。所述步驟(1)中的基底材料為紅外材料矽或鍺、或可見光材料石英，或玻璃。 所述步驟(1)中的金屬材料為金、或銀。 所述步驟(2)中的金屬層厚度A可以為1.6;i 2A。所述步驟(3) 、 (6)中的空氣孔大小均小於入射波長，即為亞波長量級。本發明與現有技術相比的有益效果在於 O)按照本發明設計所得的三維亞波長金屬結構透鏡透射效率高，可以比原來提高近 30%,因為兩孔中心間距的變化可以使得兩孔出射面的耦合作用增強，從而增大了透射效 率。(2)本發明在一塊金屬層上面即可以完成透鏡的設計，設計過程簡單，並且製作簡單。


圖I是本發明實施例中空氣孔邊長跟相位之間的關係，其中橫坐標表未小孔邊長，其單位為;i:圖2為本發明實施例中透過率跟兩孔間距之間的關係曲線，其中橫坐標表示兩孔間距， 單位為A,縱坐標表示透過率，為任意單位；圖3表示本發明實施例中設計所得的金屬結構透鏡示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明進一步詳細說明。但以下的實施例僅限於解釋本發明， 本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對領域的技術人員即 可以實現本發明權利要求的全部內容。實施例-本發明實施例的具體實現步驟如下(1) 確定入射波長/l-10.6um,基底材料為矽，金屬採用銀。入射波長是根據實際需 要而確定的，因為是紅外波段，所以採用矽可以透光，金屬採用銀，因為銀是一種很好的 可以激發表面等離子體韻金屬。(2) 確定基底材料口徑為110um，金屬層的厚度/j為19.08um。 口徑是根據實際需要 而確定的，金屬層的厚度選為1.8義，此時可以保證最終設計的正方形空氣孔邊長在0.532到 0.9;i之間，這樣製作上比較方便。基底放置於砂平面且中心在原點處，假設入射光垂直於 基底沿z軸正方向入射;力製作邊長為fl的空氣孔，那麼根據公式(1)可以得到該點 的相位跟空氣孔邊長之間的關係2油l一formula see original document page 7其中p(;c，7)表示該點的相位，A表示工作波長，"表示金屬板上空氣孔的邊長，通過在 金屬板上製作合適邊長的空氣孔，可以完成所需的該點處的相位調製，如圖l所示；(4) 在金屬板上並行排列兩個空氣孔，其邊長分別為a,等於7.42mn和a2等於8.48um， 其中心間距為c/，應用軟體FDTD進行仿真計算得到中心間距d-0.95;i即d為10.07um時 兩孔出射面的能量最大，即透過率最大，如圖2所示；(5) 由所設計的透鏡焦距/，通過衍射理論可以求得表面任意點(;c， y)處的相位伊，該相位與位置以及入射波長之間的關係為formula see original document page 7其中w為任意整數，選取合適的w值(每一個抽樣點處m的取值都是根據該點相位而 確定的，因為本實施例的抽樣點共121個，所以需要121個m值)，使得相位p(x，力處於-;r 到;r之間；(6)在金屬板上進行取樣，取樣間隔為10.07um,取樣點按正方形排布，根據公式(2) 計算得到每個抽樣點的相位延遲，然後根據公式(1)計算可以得到每一取樣點所對應的空 氣孔大小，第一排空氣孔大小分別為(單位為微米)5.77 6.35 7.22 8.41 5.53 5.59 5.52 8.39 7.20 6.33 5.76第二排空氣孔大小分別為(單位為微米)6.35 7.55 5.53 5.74 5.95 6.05 5.96 5.76 5.55 7.51 6.43第三排空氣孔大小分別為(單位為微米)7.22 5.83 5.65 6.20 6.64 6.75 6.66 6.22 5.67 5.81 7.25第四排空氣孔大小分別為(單位為微米)8,41 5.74 6.20 6.76 7.31 7.67 7.35 6.72 6.22 5.76 8.40第五排空氣孔大小分別為(單位為微米)5.53 5.94 6.54 7.31 8.12 8.67 8.15 7.33 6.50 6.00 5.56第六排空氣孔大小分別為(單位為微米)5.59 6.05 6.75 7.67 8.67 9.39 8.65 7.62 6.70 6.09 5.62 第七排空氣孔大小分別為(單位為微米)5.53 5.94 6.54 7.31 8.12 8.67 8.15 7.33 6.50 6.00 5.56第八排空氣孔大小分別為(單位為微米)8.41 5.74 6.20 6.76 7.31 7.67 7.35 6.72 6.22 5.76 8.40第九排空氣孔大小分別為(單位為微米)7.22 5.83 5.65 6.20 6.64 6.75 6.66 6.22 5.67 5.81 7.25第十排空氣孔大小分別為(單位為微米)6.35 7.55 5.53 5.74 5.95 6.05 5.96 5.76 5.55 7.51 6.43第十一排空氣孔大小分別為(單位為微米)5.77 6.35 7.22 8.41 5.53 5.59 5.52 8.39 7.20 6.33 5.76從而在金屬板中嵌入不同大小的空氣孔結構，該高透過率的金屬結構透鏡設計完成， 如圖3所示；(7)利用現有加工手段，如深刻蝕工藝方法即可實現對上述設計所得的透鏡進行製作， 從而得高透過率，如可達64%的三維亞波長金屬結構透鏡。
權利要求
1、一種高透過率三維亞波長金屬結構透鏡，其特徵在步驟如下(1)確定入射波長λ、基底材料以及金屬材料；(2)確定基底材料口徑為L，金屬層的厚度為h，基底放置於xy平面且中心在原點處，假設入射光垂直於基底沿z軸正方向入射；(3)在金屬板上坐標(x，y)處製作邊長為a的空氣孔，根據公式(1)得到該點出射面的相位跟金屬孔邊長之間的關係其中(x，y)表示該點的相位，λ表示入射波長，h表示金屬層的厚度，a表示金屬板上空氣孔的邊長，通過在金屬板上製作空氣孔，完成該點處所需的相位調製；(4)在金屬板上並行排列兩個空氣孔，其邊長分別為a1和a2，其中心間距為d，計算得到d＝0.95λ兩孔出射面的最大能量，即最大透過率；(5)由所設計的透鏡焦距f，通過衍射理論求得表面任意點(x，y)處的相位，該相位與該點位置以及入射波長之間的關係為其中m為任意整數，選取m值，使得相位(x，y)處於-π到π之間；(6)在金屬板上進行取樣，取樣間隔為0.95λ，取樣點按正方形排布，根據步驟(5)中的公式(2)計算得到每個抽樣點的相位延遲，然後根據步驟(1)中的公式(1)計算得到每一取樣點所對應空氣孔的大小，從而在金屬板中嵌入不同大小的空氣孔結構，從而完成大視場金屬結構透鏡的設計；(7)利用現有加工方法對上述設計所得的透鏡進行製作，得到高透過率三維亞波長金屬結構透鏡。
2、 根據權利要求1所述的高透過率三維亞波長金屬結構透鏡，其特徵在於所述 步驟(1)中的基底材料為紅外材料矽或鍺、或可見光材料石英，或玻璃。
3、 根據權利要求l所述的高透過率三維亞波長金屬結構透鏡，其特徵在於所述步驟(1)中的金屬材料為金、或銀、或銅、或鋁。
4、 根據權利要求1所述的高透過率三維亞波長金屬結構透鏡，其特徵在於所述 步驟(2)中的金屬層厚度/j為1.6;i 2;L，其中義為入射波長。
5、根據權利要求1所述的高透過率三維亞波長金屬結構透鏡，其特徵在於所述 步驟(3)、或步驟(6)中的空氣孔的邊長均小於入射波長，即為亞波長量級。
全文摘要
一種高透過率三維亞波長金屬結構透鏡(1)確定入射波長λ、基底材料及金屬材料；(2)確定基底材料口徑為L，金屬層的厚度為h，基底放置於xy平面且中心在原點處；(3)通過在金屬板上製作合適邊長的空氣孔，完成所需的該點處的相位調製；(4)計算得到d＝0.95λ時兩孔出射面的能量最大；(5)由所設計的透鏡焦距f，得到相位與位置以及入射波長之間的關係，使得相位φ(x，y)處於-π到π之間；(6)在金屬板上進行取樣，取樣間隔為0.95λ，取樣點按正方形排布，根據計算得到的每個抽樣點的相位延遲，然後計算得到每一取樣點所對應的方孔大小，在金屬板中嵌入不同大小的金屬孔結構，大視場金屬結構透鏡設計完成後利用現有加工手段對上述設計所得的透鏡進行製作。本發明具有高透過率的優點。
文檔編號G02B27/00GK101281297SQ20081010193
公開日2008年10月8日 申請日期2008年3月13日 優先權日2008年3月13日
發明者史立芳, 周崇喜, 杜春雷, 媛 段, 陳豔中 申請人:中國科學院光電技術研究所