[实用新型]一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜

说明书

技术领域

本实用新型涉及纳米光子学领域，尤其涉及的是一种径向偏振光激发下的长焦距、紧聚焦表面等离子体激元透镜。

背景技术

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是局域在金属表面的一种电磁波模式，是在金属-介质界面上光和金属表面的自由电子相互作用激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。基于SPPs的各种纳米光子器件被认为是最有希望实现纳米全光集成回路的基础。由于Spps具有短波长特性和很强的表面束缚性，能够被聚焦成一个突破衍射极限的紧聚焦光斑。表面等离子体激元透镜(Plasmonic lens，PL)就是一种能够有效激发和操控SPPs实现紧聚焦的亚波长纳米光器件，在亚波长光学、超分辨成像、纳米光刻、近场成像与探测、纳米粒子操控等领域有着重要的应用。适当的设计等离子体激元透镜结构，可以控制焦斑的尺寸，形状和强度，近年来诸如狭缝-光栅型透镜、同心环型透镜、微孔阵列型透镜等各种等离子体激元透镜结构被提出。

如何实现高能量效率的紧聚焦焦斑是等离子体激元透镜设计面临的关键问题。通常情况下，激发光束为线/圆偏振光时，光束只能在一个方向上激发Spps，效率较低。柱对称矢量光束是振幅和相位都呈轴对称分布的矢量光束，径向偏振光是柱对称矢量光束的一种，由于其偏振方向的特殊性，径向偏振光独特的聚焦特性引起了人们的大量研究。其中，径向偏振光比均匀偏振分布的光可以被聚焦到更小的空间中。在强聚焦下，径向偏振光会产生纵向分量，从而聚焦光斑在三维空间中呈现梭形。由于径向偏振光电场分布的特殊性，可以从各个方向激发Spps，同时增加狭缝数，以增加照射面积，可提高激发效率，如Chen W等人提出的PL透镜(Chen W,Abeysinghe D C,Nelson R L,et al.Plasmonic lens made of multiple concentric metallic rings under radially polarized illumination[J].Nano letters,2009,9(12):4320-4325.)，入射光在同心狭缝形成的M-I-M结构中激发Spps，并在透镜表面传播，在透镜中心形成极值，但是由于其强度主要集中在透镜表面，其应用范围也受到大大限制。Ruobing Peng等人在这一结构基础上增加环形狭缝和同心的沟槽，将激发的Spps散射到自由空间，通过干涉形成聚焦，实现了一种超长焦深，高分辨率透镜，其焦距为2.1λ₀，半高宽(FWHM)为0.44λ₀，焦深为2.65λ₀(Peng R,Li X,Zhao Z,et al.Super-Resolution Long-Depth Focusing by Radially Polarized Light Irradiation Through Plasmonic Lens in Optical Meso-field[J].Plasmonics,2013:1-6.)。

径向偏振光能更高效的激发SPP获得更佳的场局域增强效应，进一步优化SPP透镜生成突破衍射极限的高质量焦场，同时能够灵活调节焦距、焦深以及有效抑制旁瓣,在纳米光刻、共聚焦显微、光数据存储、光镊技术等领域有着重要的应用前景(Dorn R,Quabis S,Leuchs G.Sharper focus for a radially polarized light beam[J].Physical review letters,2003,91(23):233901.Min C,Shen Z,Shen J,et al.Focused plasmonic trapping of metallic particles[J].Nature communications,2013,4.)。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种新型表面等离子体激元透镜结构，在径向偏振光激发下，突破衍射极限，实现长焦距亚波长紧聚焦。

本实用新型采用的技术方案：

一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜，包括介质衬底和位于介质衬底上的金属薄膜，在金属薄膜中心蚀刻有一个T型微孔，微孔的周围分布有周期性同心环结构，所述周期性同心环结构包括带有调制相位功能的同心环沟槽以及外围的同心环沟槽。

进一步地，所述带有调制相位功能的同心环沟槽为阶梯型。

所述介质衬底为入射端，金属薄膜为出射端。