基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜的制作方法

1.本技术涉及光波控制技术领域，特别涉及一种基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜。


背景技术：

2.驱动纳米技术快速发展的基础是先进的纳米加工技术，纳米加工技术是通过使用自上而下或自下而上的方法来加工纳米材料、结构、器件和系统。它在各个领域有十分广泛的应用，典型的如集成电路制造，其他光学元件如光学超表面的加工，仿生表面的制造如基因测序、药物递送，以及高密度存储盘片的加工，都离不开纳米加工技术。所有纳米加工技术中，光刻是最成熟的一种自上而下的加工方法，但是光刻技术的加工精度受到光学衍射的限制。现有光刻技术通过减少入射光波的波长，提高光波聚焦系统的数值孔径，以及减小工艺因子等方式提高加工精度，往往难以兼顾效率和成本。随着纳米技术的在各个领域的发展，更加迫切地需要更加简单、价格合理的加工方案，这将在科研、工业等领域得到广泛应用。
3.表面等离激元是电介质和金属界面处的电子集体振荡效应，表面等离激元波具有比自由空间电磁波更小的波长，并且在界面处产生场束缚和场增强效应，有望实现突破衍射极限的聚焦，为新型纳米加工应用带来了契机。然而，由于缺乏可见光乃至紫外波段的表面等离激元波源，只能够将空间传输电磁波转化为表面等离激元波。为了克服二者之间的动量不匹配，传统方案采用棱镜、光栅等光学元件为空间入射电磁波提供切向波矢，实现表面等离激元波的转化，但普遍存在能量利用效率低的问题。另外，体积庞大的光学元件难以被集成至片上系统，与当前光学功能器件小型化与集成化的发展趋势相违背。


技术实现要素：

4.本技术提供一种基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜，以解决相关技术中在将空间传输电磁波转化为表面等离激元波的装置体积庞大，难以集成至片上系统，且能量利用效率低的技术问题。
5.本技术的实施例提供一种基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜，包括：超表面耦合器，用于将空间入射光波转化为表面等离激元，并诱导所述表面等离激元向所述表面等离激元近场聚焦透镜的焦点传播，形成聚焦光斑，其中，所述超表面耦合器包括：多个不同分布、不同朝向的耦合单元，其中，每个耦合单元由多个超胞的一维线性周期阵列构成，且每个超胞由多个不同尺寸的介质颗粒构成；金属薄膜，用于作为所述表面等离激元的传播载体，且在沿着所述表面等离激元的传播方向上，所述金属薄膜的截面按照预设约束条件逐渐减小，以对所述表面等离激元施加横向约束；介质基片，所述介质基片用于承载所述超表面耦合器和所述金属薄膜。
6.本技术实施例的基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜，通过超表面耦合器实现空间入射光波与表面等离激元的动量匹配，利用不同分布、不同朝向的耦合单元
将入射至超表面耦合器不同位置处的光波转化的表面等离激元，并且沿一维线性周期阵列的方向传播，当所有耦合器均指向透镜焦点时，所有表面等离激元波将在透镜焦点处会聚；利用金属薄膜作为表面等离激元的传播载体，通过几何形状的设计可以对表面等离激元的场分布施加横向约束，使得表面等离激元在传播过程中获得更大的场束缚与场增强效应，并在透镜的焦点处产生突破衍射极限的聚焦光斑；利用介质基片作为支撑基底，起到承载超表面耦合器和金属薄膜的辅助功能，并形成一个独立的表面等离激元透镜。由此，可以将自由空间入射的电磁波聚焦为亚波长尺寸的光斑，突破衍射极限，解决了相关技术中在将空间传输电磁波转化为表面等离激元波的装置体积庞大，难以集成至片上系统，且能量利用效率低的技术问题。
7.另外，根据本技术上述实施例的基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜还可以具有以下附加的技术特征：
8.可选地，在本技术的一个实施例中，所述超胞中不同尺寸的介质颗粒对入射光波的透射相位不同，并且不同位置处的介质颗粒的透射相位呈线性变化。
9.可选地，在本技术的一个实施例中，单个超胞中透射相位的变化总量为360度的整数倍。
10.可选地，在本技术的一个实施例中，所述多个不同尺寸的介质颗粒沿一维方向排布，构成超胞，使超胞中相邻的两个介质颗粒的透射相位之差相等，以及所述相位之差等于所述超胞中首尾两个介质颗粒的透射相位之差。
11.可选地，在本技术的一个实施例中，所述多个超胞按一维线性周期阵列构成所述耦合单元，使得所述耦合单元中不同位置处的介质颗粒的透射相位随位置呈线性变化。
12.可选地，在本技术的一个实施例中，所述金属薄膜为尖端相交的双锥形结构，且所述双锥形结构的尖端相交位置为所述表面等离激元近场聚焦透镜的焦点。
13.可选地，在本技术的一个实施例中，所述金属薄膜的厚度小于或等于120纳米。
14.可选地，在本技术的一个实施例中，所述介质基片对所述入射光波为透明设置。
15.可选地，在本技术的一个实施例中，所述多个不同尺寸的介质颗粒在所述入射光的光波的照射下发生mie散射，并对透射的光波进行调制，获得不同的透射相位，生成具有梯度分布的透射相位。
16.可选地，在本技术的一个实施例中，所述超表面耦合器与所述金属薄膜嵌入或附着设置于所述介质基片上。
17.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
18.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1为根据本技术实施例提供的一种基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜结构示意图；
20.图2为根据本技术实施例提供的一种超表面耦合器的示意图；
21.图3为根据本技术实施例提供的一种超表面耦合器中的一个耦合单元的示意图；
22.图4为根据本技术实施例提供的一种金属薄膜的示意图。
23.附图标记：超表面耦合器
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1、金属薄膜
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2、介质基片
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3、焦点
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4、耦合单元
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5、超胞
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6、介质颗粒
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7。
具体实施方式
24.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
25.具体而言，图1为根据本技术实施例提供的一种基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜结构示意图。
26.如图1所示，该基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜1000包括：超表面耦合器1、金属薄膜2和介质基片3。
27.其中，超表面耦合器1用于将空间入射光波转化为表面等离激元，并诱导表面等离激元向表面等离激元近场聚焦透镜的焦点4传播，形成聚焦光斑。如图2和图3所示，超表面耦合器1包括：多个不同分布、不同朝向的耦合单元5，其中，每个耦合单元5由多个超胞6的一维线性周期阵列构成，且每个超胞6由多个不同尺寸的介质颗粒7构成。
28.金属薄膜2用于作为表面等离激元的传播载体，且在沿着表面等离激元的传播方向上，金属薄膜2的截面按照预设约束条件逐渐减小，以对表面等离激元施加横向约束。
29.介质基片3用于承载超表面耦合器1和金属薄膜2。
30.下面对基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜及具体结构进行介绍。
31.具体地，在空间入射光波的激励下，超表面耦合器1将空间入射波转化为表面等离激元波，在金属薄膜2的表面传播，并最终在透镜焦点4处会聚，形成突破衍射极限的聚焦光斑。超表面耦合器1由不同尺寸的介质颗粒7按一定的空间分布组合而成，如图2所示，不同尺寸的介质颗粒7在光波的照射下发生mie散射，并对透射光波进行调制以获得不同的透射相位，形成具有梯度分布的透射相位。将多个不同尺寸的介质颗粒7沿一维方向排布构成超胞6，使超胞6中相邻的两个介质颗粒7的透射相位之差相等，并且该相位之差等于超胞6中首尾两个介质颗粒7的透射相位之差。这样，多个超胞6按一维线性周期阵列构成耦合单元5，能够保证耦合单元5中不同位置处的介质颗粒7的透射相位是随位置线性变化的，如图3所示。当空间光波在入射至超表面耦合器1中的不同耦合单元5上时，能够获得沿耦合单元5的线性相位梯度方向的附加波矢，从而被转化为表面等离激元波且沿一维线性周期阵列的方向传播。通过设计超表面耦合器1中不同耦合单元5的分布与朝向，让所有超表面耦合器1均指向透镜焦点4，能够使得入射至超表面耦合器1不同位置处的空间光波所转化的表面等离激元波的传播方向均指向透镜焦点4，并在透镜焦点4处发生干涉增强。
32.进一步地，金属薄膜2作为表面等离激元的传播载体，并且在表面等离激元的传播方向上金属薄膜2的截面按照预设约束条件逐渐减小，用于对表面等离激元施加横向约束。
33.可以理解的是，预设条件可以根据实际情况进行设置，例如，在设定的距离内金属薄膜2的截面以线性减小的方式减小至尖端相交处，或者按照提前设定的截面减小规律进行减小等，不作具体限定。
34.金属薄膜2在传导表面等离激元的同时，将其限制在金属薄膜表面。通过几何形状
的设计可以对表面等离激元的场分布施加横向约束。当表面等离激元在金属薄膜2上沿其截面逐渐减小的方向传播时，导波波长的减小使得表面等离激元在传播过程中获得更大的场束缚与场增强效应，在透镜的焦点处获得更加明显的聚焦作用，从而产生突破衍射极限的聚焦光斑。
35.进一步地，介质基片3用于承载超表面耦合器1和金属薄膜2。
36.具体地，介质基片3作为支撑基底，承载嵌入或附着于其上的超表面耦合器1和金属薄膜2。可以理解的是，介质基片3、超表面耦合器1和金属薄膜2形成多层结构，其中，作为一种可能实现的方式，超表面耦合器1嵌入在介质基片3中，金属薄膜2附着在介质基片3的表面。空间光波从介质基片3一侧入射，在附着有金属薄膜2的另一侧形成近场聚焦效应。具体设置方式本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，不作具体限定。
37.根据本技术的一个实施例，超胞6中不同尺寸的介质颗粒7对入射光波的透射相位不同，不同位置处的介质颗粒7的透射相位是线性变化的，并且一个超胞6中透射相位的变化总量是360度的整数倍。
38.具体地，根据mie散射理论，当介质颗粒7的电偶极谐振和磁偶极谐振频率重叠或接近时，介质颗粒7对入射电磁波保持较高的透射率，同时透射相位产生360度的变化。因此调整介质颗粒7的几何尺寸，能够实现任意的透射相位，也就是说，超胞6中不同位置处的介质颗粒7的透射相位可以具有任意的随位置变化的线性梯度。当透射相位的线性梯度等于表面等离激元的波矢时，空间入射光波与表面等离激元的动量匹配条件得以满足，空间入射光波被高效地转化为表面等离激元。需要说明的是，一个超胞6中透射相位的变化总量应当是360度的整数倍，这样，当多个超胞6按一维线性周期阵列的形式构成耦合单元5时，耦合单元5中所有超胞6产生的表面等离激元波的相位是相同的，并且在传输过程中发生干涉增强，最终使透镜焦点4的光场能量密度达到最大。
39.需要说明的是，介质颗粒7可以具有多种几何外形，如长方体和椭圆柱体，不作具体限定。
40.根据本技术的一个实施例，介质颗粒7由高折射率、低损耗介质材料构成。具体地，高折射率的介质颗粒7具有更强度的mie散射效应，使得利用更小尺寸的介质颗粒7即可实现对360度透射相位的全覆盖，这样，在周期长度一定的超胞6中，可以排布更多数量的介质颗粒7，减少入射光波的散射，增大表面等离激元的转化效率，从而提高透镜的能量利用率。例如，介质颗粒7可以选用硅、碲等材料，不作具体限定。
41.根据本技术的一个实施例，金属薄膜2为尖端相交的双锥形结构，双锥形结构的尖端为表面等离激元近场聚焦透镜1000的焦点4。具体地，表面等离激元的强光局域化特性使通过制造锥形金属薄膜2实现深层场聚焦成为可能，如图4所示，当表面等离激元在金属薄膜2的锥形结构上沿其截面逐渐减小的方向传播时，光场能量不断浓缩，从而获得更小的焦点。另外，当表面等离激元传播至锥形结构的尖端，即透镜焦点4处时，锥形尖端结构的束缚力作用于表面电子从而引起共振，即产生局域表面等离激元共振，进一步放大了近场区域的电场。需要说明的是，为进一步优化焦点4处局域表面等离激元共振，还可以在双锥形结构的尖端相交处设计其他结构，如矩形槽或脊形孔结构，不作具体限定。
42.根据本技术的一个实施例，金属薄膜2的厚度小于或等于120纳米。具体地，金属薄膜2的厚度应小于表面等离激元在金属中的衰减距离，可以为50纳米，80纳米或100纳米等。
由于空间光波从介质基片3一侧入射，在介质基片3与金属薄膜2的界面上聚焦后，焦点光场还需要穿过金属薄膜2，达到金属薄膜2背离介质基片3的一侧表面，才能够用于纳米加工工艺。因此，作为一种优选的实施方式，为了减小光场穿过金属薄膜2的衰减，在保证金属薄膜2厚度均匀的前提条件下，应当尽可能地选择较小的厚度。
43.根据本技术的一个实施例，介质基片3对入射光波是透明的。具体地，空间入射光波穿过介质基片3后，被超表面耦合器1转化为表面等离激元，因此介质基片3的材料应当具有低折射率和低损耗，例如，二氧化硅，以减小空间入射光波的反射和吸收，提高能量利用率。可以理解的是，介质基片3的材料与介质颗粒7不同，且二者的折射率对比度应当尽可能大，以使介质颗粒7获得更强的mie散射效应。
44.下面通过具体的实施例对本技术的基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜中超胞6与介质颗粒7的透射相位的设计方案进行描述。
45.1)当一个超胞6中透射相位的变化总量为360度时，每个超胞6中包含2个不同尺寸的介质颗粒7，其透射相位分别为0度和180度。
46.2)当一个超胞6中透射相位的变化总量为720度时，每个超胞6中包含3个不同尺寸的介质颗粒7，其透射相位分别为0度，240度和120度。
47.3)当一个超胞6中透射相位的变化总量为1080度时，每个超胞6中包含5个不同尺寸的介质颗粒7，其透射相位分别为0度，216度，72度，288度和144度。
48.为实现上述实施例介绍的基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜，本技术实施例的可以通过如下制备方法进行制备，具体包括以下步骤：
49.s1，采用机械加工，如晶圆切割或激光切割等方式加工出所需几何尺寸的介质基片。
50.s2，采用离子束刻蚀或光刻工艺在介质基片上加工出预先设计好的超表面耦合器。
51.s3，采用气相沉积技术，如真空蒸镀、离子束溅射或磁控溅射等方式在超表面耦合器上沉积一层与介质基片相同的材料，将超表面耦合器封装至介质基片中。
52.s4，采用光刻工艺在介质基片封装有超表面耦合器的一侧表面上加工出具有双锥形结构的金属薄膜。
53.需要说明的是，上述制备方法仅作为一种示例，本领域技术人员可以根据实际需要采用其他制备方法实现基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜的制备，不做具体限定。
54.根据本技术实施例提出的基于全介质超表面的表面等离激元近场聚焦透镜，在空间入射光波的激励下，超表面耦合器将空间入射波转化为表面等离激元波，在金属薄膜的表面传播，并最终在透镜焦点处会聚，形成突破衍射极限的聚焦光斑。超表面耦合器由不同尺寸的介质颗粒按一定的空间分布组合而成，不同尺寸的介质颗粒在光波的照射下发生mie散射，并对透射光波进行调制以获得不同的透射相位，形成透射相位的梯度分布。调整介质颗粒的尺寸，使得超胞中不同位置处的介质颗粒的透射相位梯度等于表面等离激元的波矢，且超胞的周期为表面等离激元波长的整数倍，此时，空间入射光波与表面等离激元的动量匹配条件得以满足，空间入射光波被高效地转化为表面等离激元，且沿超胞一维线性周期阵列的方向传播。通过设计超表面耦合器中不同耦合单元的分布与朝向，让所有超表
面耦合器均指向透镜焦点，能够使得入射至超表面耦合器不同位置处的空间光波所转化的表面等离激元波的传播方向均指向透镜焦点，并在透镜焦点处发生干涉增强。结合金属薄膜的几何形状设计，对表面等离激元的场分布施加横向约束。当表面等离激元在金属薄膜上沿其截面逐渐减小的方向传播时，光场能量在传播过程中不断浓缩，并且最终在锥形结构尖端，即透镜焦点处产生局域表面等离激元谐振效应，获得更加明显的聚焦作用与更大的场增强效应，从而产生突破衍射极限的聚焦光斑。通过上述方式本技术的实施例将自由空间入射的电磁波聚焦为亚波长尺寸的光斑，突破衍射极限，并且体积小，易于集成，解决了相关技术中在将空间传输电磁波转化为表面等离激元波的装置体积庞大，难以集成至片上系统，且能量利用效率低的技术问题。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
56.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。