專利名稱：一種基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光存儲(chǔ)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超材料的超分辨率聚焦平凸透
^Mi ο
背景技術(shù)：
在光盤存儲(chǔ)和讀取、納米加工等激光的應(yīng)用中，需要將入射激光光束聚焦成一個(gè)足夠小的光點(diǎn)。一束平面波經(jīng)凸透鏡后將被調(diào)制為會(huì)聚球面波，理想情況下將會(huì)聚成一個(gè)光點(diǎn)。然而，會(huì)聚光束在會(huì)聚過程中，聚焦光斑減小到一定程度后將不再減小。這是因?yàn)樵诠馐劢惯^程中，角向波矢k0不斷增大，當(dāng)其超過真空中波矢1 時(shí)將成為倏逝波，倏逝波不能到達(dá)聚焦點(diǎn)，造成光束中高頻成分的丟失。依據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理AxAk = 2Ji，設(shè)聚焦透鏡的數(shù)值孔徑為NA，則其能夠傳遞的最大波矢帶寬八k為^tlNA,因此最小光斑尺寸Δ χ = AtlANA,其中，λ。為工作波長(zhǎng)，該公式即為光學(xué)系統(tǒng)的衍射受限公式。圍繞上述衍射受限公式，業(yè)內(nèi)普遍采用縮短工作波長(zhǎng)λ ^和提高數(shù)值孔徑NA來實(shí)現(xiàn)更小聚焦光斑，例如，采用浸沒技術(shù)、或設(shè)計(jì)更大相對(duì)孔徑的光學(xué)系統(tǒng)等。采用上述方法雖然可以減小聚焦光斑尺寸， 但是無法實(shí)現(xiàn)超分辨率聚焦。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)超分辨率聚焦的實(shí)現(xiàn)提出了不同的方法1)采用特殊結(jié)構(gòu)的納米波導(dǎo)壓縮光斑，該方法雖然在理論上可以將聚焦光斑壓縮至幾十個(gè)納米，但所要求的波導(dǎo)構(gòu)造復(fù)雜，尺寸又很小，因此可操作性并不是很強(qiáng)[1_3]；2)利用微納結(jié)構(gòu)來約束光斑，該類方法的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)對(duì)表面等離子體波進(jìn)行控制，在光束對(duì)準(zhǔn)、模式匹配方面要求也較為嚴(yán)格，因此實(shí)現(xiàn)起來有一定
難度@。文中涉及的參考文獻(xiàn)如下[1]Ε. Verhagen et.al. ,"Nanofocusing in laterally tapered plasmonic waveguides,，，Opt. Express, 16 (1)，45-57，(2008)[2]R. Yang et. al. ,"Efficiently squeezing near infrared light into a 21nm-by-24nm nanospot,，，Opt. Express, 16 (24)，20143-20148，(2008)[3]M. I.Stockman,"Nanofocusing of Optical Energy in Tapered Plasmonic Waveguides, ”Phys. Rev. Lett.，93，137404(2004)[4]F. Μ. Huang, and N. I. Zheludev, "Super-resolution without evanescent waves,，，Nano Lett. ,9(3), 1249-1254 (2009)[5]X. Wei,et. al. ,"Nanofabrication with controllable localization energy based on the interference modulation of surface plasmons, " Opt. Express, 16 (19), 14404-14410(2008)
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型從光束聚焦原理出發(fā)，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)、高度集成的、基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，由前表面和后表面所構(gòu)成，其前表面為橢球面面型，后表面為平面結(jié)構(gòu)，聚焦平凸透鏡內(nèi)部、后表面附近填充有金屬和電介質(zhì)， 金屬和電介質(zhì)交替排布構(gòu)成同心圓弧結(jié)構(gòu)，同心圓弧結(jié)構(gòu)最外層材料為金屬，每層材料厚度相等、且小于λ/ιο，λ ^為工作波長(zhǎng)；所述的同心圓弧圓心與聚焦平凸透鏡前表面的聚焦點(diǎn)重合。在工作波長(zhǎng)下，上述金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)的絕對(duì)值大致相等，作為優(yōu)選，金屬為銀，電介質(zhì)為三氧化二鋁。為了避免聚焦能量的損失，上述同心圓弧結(jié)構(gòu)的外徑盡^^^"^，其中，λο
4n tan θ sin θ
為工作波長(zhǎng)，η為聚焦平凸透鏡材料折射率，θ為聚焦平凸透鏡的孔徑角。本實(shí)用新型側(cè)重于從光束聚焦的原理上來解決超分辨率聚焦問題。會(huì)聚光束在會(huì)聚過程中，光斑減小到一定程度后將不再減小的原因是因?yàn)橘渴挪ú荒艿竭_(dá)聚焦點(diǎn)，因此要實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的光束聚焦，必須使會(huì)聚波中的倏逝波成分參與聚焦，也就是要找到一種材料，使得角向波矢超過1 的倏逝波仍然能夠以行波的方式前進(jìn)，并最終抵達(dá)聚焦點(diǎn)。 傳統(tǒng)光學(xué)材料無法滿足上述要求，但近年來發(fā)展的超材料(metamaterial)則為解決上述問題提供了新的思路。超材料可通過特殊設(shè)計(jì)，得到受調(diào)制的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，利用超材料制作的光學(xué)元件具有比傳統(tǒng)透鏡更優(yōu)的控制電磁波能力?；谝陨匣舅悸罚景l(fā)明將金屬和電介質(zhì)交替排布的得到的同心圓弧結(jié)構(gòu)超材料填充在聚焦平凸透鏡內(nèi)部，這種人工復(fù)合超材料具有雙曲色散關(guān)系，再加上其同心圓弧結(jié)構(gòu)正好與會(huì)聚波的波前相吻合，因此會(huì)聚波在其中將會(huì)以行波的方式、無擾動(dòng)的前進(jìn)，并最終抵達(dá)透鏡后平面出射，實(shí)現(xiàn)超分辨率聚焦。本實(shí)用新型聚焦平凸透鏡在使用時(shí)，將其放置于準(zhǔn)直光路中，且前表面必須朝向入射平行光，入射平行光經(jīng)前表面聚焦為會(huì)聚球面波，其內(nèi)部填充的同心圓弧結(jié)構(gòu)用于傳遞會(huì)聚球面波中具有較大角向波矢的光束，最終在透鏡的后表面形成超越衍射極限的聚焦光斑，從而實(shí)現(xiàn)超分辨率聚焦。采用本實(shí)用新型聚焦透鏡所得聚焦光斑尺寸
rM = 3^7^，其中，、為工作波長(zhǎng)，NA為聚焦平凸透鏡的數(shù)值孔徑, 為同心圓弧結(jié)
構(gòu)的外徑、R1為聚焦平凸透鏡后表面與同心圓弧結(jié)構(gòu)圓心的距離。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)如下1、本實(shí)用新型所能實(shí)現(xiàn)超分辨率的聚焦平凸透鏡僅由金屬和電介質(zhì)交替填充在普通聚焦平凸透鏡中，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)；2、本實(shí)用新型將圓弧結(jié)構(gòu)的超材料填充在聚焦平凸透鏡后表面附近，因此可將角向波矢超過h的倏逝波傳遞到聚焦平凸透鏡的焦面附近，是超分辨率聚焦理論和技術(shù)的重大突破；3、本實(shí)用新型聚焦透鏡中所有入射到超材料上的光束都將向聚焦點(diǎn)會(huì)聚，因此可將入射場(chǎng)波動(dòng)、透鏡面型誤差和對(duì)準(zhǔn)誤差等對(duì)聚焦的影響降到最低程度。
圖1是本實(shí)用新型聚焦平凸透鏡的結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中，D為聚焦平凸透鏡的通光口徑，θ為聚焦平凸透鏡的孔徑角，R1為聚焦平凸透鏡后表面與同心圓弧結(jié)構(gòu)圓心的距離，&為同心圓弧結(jié)構(gòu)的外徑；圖2是本實(shí)用新型的聚焦平凸透鏡和未填充超材料的普通聚焦平凸透鏡的波矢色散曲線，(a)為本實(shí)用新型的聚焦平凸透鏡的波矢色散曲線，(b)為普通聚焦平凸透鏡的波矢色散曲線；圖3是本實(shí)用新型中實(shí)施例1的普通聚焦平凸透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)圖；圖4是本實(shí)用新型中實(shí)施例1的普通聚焦平凸透鏡聚焦情形的模擬仿真；圖5是本實(shí)用新型中實(shí)施例1的普通聚焦平凸透鏡后表面出口處功率流的橫截面分布；圖6是本實(shí)用新型中實(shí)施例1的填充超材料的聚焦平凸透鏡聚焦情形的模擬仿真；圖7是本實(shí)用新型中實(shí)施例1的填充超材料的聚焦平凸透鏡后表面出口處功率流的橫截面分布；圖8是本實(shí)用新型中實(shí)施例2的填充超材料的聚焦平凸透鏡的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖9是本實(shí)用新型中實(shí)施例2的填充超材料的聚焦平凸透鏡聚焦情形的模擬仿真；圖10是本實(shí)用新型中實(shí)施例2的填充超材料的聚焦平凸透鏡后表面出口處功率流的橫截面分布。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的基于超材料的超分辨率聚焦裝置，目的是將入射的準(zhǔn)直光束聚焦成超越衍射極限的光斑，其具體實(shí)施工作分兩步首先，需要設(shè)計(jì)平凸結(jié)構(gòu)的聚焦透鏡，聚焦透鏡的作用是將入射的準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)化為會(huì)聚球面波，其主要參數(shù)包括通光口徑D、焦距F和數(shù)值孔徑NA，設(shè)計(jì)時(shí)要求通光口徑D 能包絡(luò)準(zhǔn)直光束，以減小光能量損失；要求焦距F決定的會(huì)聚點(diǎn)與透鏡的后表面重合；數(shù)值孔徑NA決定著會(huì)聚球面波能夠傳遞的最大橫向波矢為hNA。聚焦透鏡一般是采用光學(xué)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于平凸結(jié)構(gòu)、且凸面朝向平行光的聚焦透鏡，采用橢球面面型能使系統(tǒng)像差達(dá)到衍射極限。其次，設(shè)計(jì)超材料結(jié)構(gòu)，并將其填充在聚焦平凸透鏡中，使會(huì)聚球面波的波矢逐級(jí)放大，最終實(shí)現(xiàn)超分辨率聚焦。在本發(fā)明中，超材料結(jié)構(gòu)是由很薄的金屬和電介質(zhì)交替排布而成，如圖1所示。最內(nèi)層距離平凸透鏡的后表面最近，設(shè)置為金屬，為圓弧狀結(jié)構(gòu)，其圓心與平凸透鏡前表面的聚焦點(diǎn)重合，然后向平凸透鏡前表面方向依次交替排布圓弧狀結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)和金屬，每層圓弧的圓心均與平凸透鏡前表面的聚焦點(diǎn)重合。電介質(zhì)和金屬需根據(jù)波長(zhǎng)合理選擇，要求在工作波長(zhǎng)下，電介質(zhì)和金屬的介電常數(shù)的絕對(duì)值盡可能接近，以滿足表面等離子體波激發(fā)條件、進(jìn)而提高系統(tǒng)分辨率。比如在375 μ m波長(zhǎng)上，金屬銀(Ag)的介電常數(shù)為-3. 12+0. 21i、而三氧化二鋁(Al2O3)的介電常數(shù)為3. 21，除了代表損耗的虛部外， 兩者的介電常數(shù)絕對(duì)值非常接近。[0037]上述聚焦平凸透鏡可采用傳統(tǒng)光學(xué)加工工藝制造，超材料結(jié)構(gòu)可采用微電子鍍膜工藝制造。如圖1所示為本發(fā)明的基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡的結(jié)構(gòu)原理圖，該透鏡的前表面為橢球面面型，用于將入射平行光束聚焦為會(huì)聚波；透鏡內(nèi)部、后表面附近填充有由金屬和電介質(zhì)交替排布構(gòu)成的同心圓弧狀結(jié)構(gòu)的超材料，用于傳遞會(huì)聚波中具有較大角向波矢的光束，最終在后表面形成超越衍射極限的聚焦光點(diǎn)。本發(fā)明的關(guān)鍵是采用由金屬和電介質(zhì)交替排布構(gòu)成的超材料結(jié)構(gòu)傳遞較大波矢的會(huì)聚波，這種超材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如圖2(a)所示，圖2描述了角向波矢“和徑向波矢& 的色散關(guān)系圖，由正介電常數(shù)材料(電介質(zhì))和負(fù)介電常數(shù)材料(金屬)密集交替排布而成，其等效的角向介電常數(shù)ε 0 >0，而等效的徑向介電常數(shù)ε^<0。依據(jù)色散關(guān)系式
f + f = #，角向波矢、和徑向波矢K滿足雙曲線關(guān)系，雙曲線無極大值點(diǎn)，因此決定聚焦光點(diǎn)大小的角向波矢k0可以取很大、且仍然能維持傳輸波(行波)形式。作為對(duì)比，我們給出了普通透鏡的波矢色散圖，如圖2(b)所示，由于在真空中角向波矢1^和徑向波矢&滿足圓形關(guān)系，因此傳輸波的波矢束縛在圓圈之內(nèi)，傳輸波的角向波矢k0不能超過真空波矢 k0,因此無法實(shí)現(xiàn)超分辨率聚焦。下面以具體實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1本實(shí)施例為采用單層IOnm的基于超材料的聚焦平凸透鏡對(duì)準(zhǔn)直光束實(shí)施超分辨聚焦的過程。首先利用ZEMAX光學(xué)軟件設(shè)計(jì)出一個(gè)通光口徑0. 5 μ m、焦距0. 3 μ m、平凸結(jié)構(gòu)的普通聚焦透鏡，前表面曲率半徑為0. 23748 μ m,圓錐系數(shù)-0. 312，厚度為537. 48nm,采用三氧化二鋁(Al2O3)材料(折射率η 1.79)。圖3給出了該透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，從圖3中可以看出，該透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)值和衍射極限(對(duì)應(yīng)于無像差的理想情況)重合， 因此該聚焦透鏡不引入幾何像差，有利于聚焦光點(diǎn)的縮小。然后在聚焦平凸透鏡中填充同心圓弧狀超材料。本實(shí)施例中金屬為銀(Ag)，電介質(zhì)為三氧化二鋁(Al2O3)，超材料結(jié)構(gòu)由6層三氧化二鋁(Al2O3)和7層銀板(最里層和最外層均為銀板)組成，交替排布，且每層的厚度均為lOnm，最大曲率半徑&為0. 15 μ m，聚焦平凸透鏡后表面與圓弧狀超材料球心的距離R1為20nm(即將前述設(shè)計(jì)的平凸透鏡厚度從 537. 48nm 減少為 517. 48nm)。采用C0ms013. 5軟件模擬分析了本實(shí)施例聚焦平凸透鏡的光束聚焦情況。作為對(duì)比，圖4和圖5給出了模擬得到的TM模(ρ波)平面波經(jīng)過未填充超材料的聚焦透鏡的聚焦情形；圖6和圖7給出了模擬得到的TM模(ρ波)平面波經(jīng)過填充了上述超材料的聚焦平凸透鏡的聚焦情形。圖4和圖6描述的是在入射場(chǎng)激勵(lì)下，功率流在仿真區(qū)域內(nèi)的分布情況，其中的箭頭的指向代表了功率流方向，箭頭的大小反映了功率流的大小比例；圖5和圖7為聚焦平凸透鏡后表面出口處的功率流的橫截面分布。對(duì)比圖4、5、6、7看出，填充超材料之后的聚焦平凸透鏡，光束的會(huì)聚特性得到明顯的改善。依據(jù)圖5和圖7的數(shù)據(jù)，未填充超材料的普通聚焦平凸透鏡的聚焦光斑大小為208. 6nm(半高全寬定義，F(xiàn)WHM)，填充超材料的普通聚焦平凸透鏡的聚焦光斑大小為91. 31nm(半高全寬定義，F(xiàn)ffHM)，實(shí)現(xiàn)了超分辨率聚焦。需要說明的是，在光存儲(chǔ)應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器經(jīng)準(zhǔn)直之后的光斑尺寸一般要遠(yuǎn)大于模擬中采用的0.5μπι(平凸透鏡的通光口徑)；但只要透鏡的數(shù)值孔徑保持不變，平凸透鏡的口徑和焦距可以成比例的放大成為聚焦物鏡，以滿足實(shí)際光斑尺寸需求，而波矢的傳播方式可以保持不變，因此本發(fā)明的聚焦透鏡仍可應(yīng)用。實(shí)施例2超材料結(jié)構(gòu)有多項(xiàng)參數(shù)可以調(diào)整以實(shí)現(xiàn)不同的聚焦效果，比如R1A2、單層厚度等。本實(shí)施例利用ZEMAX光學(xué)軟件設(shè)計(jì)了和實(shí)施例1參數(shù)一樣的普通聚焦透鏡，區(qū)別在于增加了聚焦透鏡的厚度，使聚焦透鏡的后表面與其焦面重合；然后用超材料填充，本實(shí)施例中金屬為銀(Ag)，電介質(zhì)為三氧化二鋁(Al2O3),超材料結(jié)構(gòu)由6層三氧化二鋁(Al2O3) 和7層銀板(最里層和最外層均為銀板)組成，交替排布，且每層的厚度均為lOnm，最大曲率半徑&為0. 15 μ m,聚焦透鏡后表面與圓弧狀超材料球心的距離R1為0，其結(jié)構(gòu)如圖8所
采用C0ms013. 5軟件模擬分析了本實(shí)施例聚焦透鏡的光束聚焦情況，圖9描述的是在入射場(chǎng)激勵(lì)下，功率流在仿真區(qū)域內(nèi)的分布情況，其中的箭頭的指向代表了功率流方向，箭頭的大小反映了功率流的大小比例；圖10為聚焦透鏡后表面出口處的功率流的橫截面分布。依據(jù)圖10的數(shù)據(jù)，聚焦光斑大小為16. 84nm(半高全寬定義，F(xiàn)WHM)，遠(yuǎn)小于實(shí)施例 1和未填充超材料的結(jié)果。值得注意的是，雖然實(shí)施例2得到了最小的聚焦光斑，但因?yàn)槠湎鄬?duì)于實(shí)施例1增加了金屬層，因此一方面損耗增加，對(duì)比圖7和圖10的功率流大小可以看出；另一方面金屬層的增加使得制作難度也增加了。因此在實(shí)際應(yīng)用中，分辨率(聚焦光斑大小)和透過率 (主要由金屬損耗引起)需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況折中考慮。
權(quán)利要求1.一種基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，由前表面和后表面所構(gòu)成，其前表面為橢球面面型，后表面為平面結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的聚焦平凸透鏡內(nèi)部、后表面附近填充有金屬和電介質(zhì)，金屬和電介質(zhì)交替排布構(gòu)成同心圓弧，同心圓弧最外層材料為金屬，每層材料厚度相等、且小于λ/ιο，λ^為工作波長(zhǎng)；所述的同心圓弧圓心與聚焦平凸透鏡前表面的聚焦點(diǎn)重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，其特征在于 所述金屬和電介質(zhì)在工作波長(zhǎng)下，金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)的絕對(duì)值大致相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，其特征在于所述同心圓弧結(jié)構(gòu)的外徑盡^^^"^，其中，入^為工作波長(zhǎng)，η為聚焦平凸透鏡4n tan θ sin θ材料折射率，θ為聚焦平凸透鏡的孔徑角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，其特征在于所述同心圓弧由6層三氧化二鋁和7層銀組成，每層厚度為lOnm，同心圓弧的最大曲率半徑為0. 15 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，其特征在于所述同心圓弧由6層三氧化二鋁和7層銀組成，每層厚度為lOnm，同心圓弧的最大曲率半徑為0. 15 μ m。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于超材料的超分辨率聚焦平凸透鏡，由前表面和后表面所構(gòu)成，其前表面為橢球面面型，后表面為平面結(jié)構(gòu)，聚焦平凸透鏡內(nèi)部、后表面附近填充有金屬和電介質(zhì)，金屬和電介質(zhì)交替排布構(gòu)成同心圓弧，同心圓弧最外層材料為金屬，每層材料厚度相等、且小于λ0/10，λ0為工作波長(zhǎng)；同心圓弧圓心與聚焦平凸透鏡前表面的聚焦點(diǎn)重合。本實(shí)用新型的超分辨率聚焦平凸透鏡具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)超分辨率的聚焦。
文檔編號(hào)G02B3/02GK202141822SQ201120169539
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者何平安, 周輝, 張瑞瑛, 李松, 楊晉陵, 鄭國(guó)興 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)