一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡制造技術

本發明專利技術提出一種零角度入射的表面等離子體(SPR)光學耦合透鏡，由三個光學面組成：一表面形貌為本發明專利技術設計的特殊光學非球面，一個高度確定的圓柱面，一個圓形光學平面。該耦合透鏡關于過光學平面中心的法線方向上軸對稱，在平行于透鏡光學平面的橫截面為圓形。該耦合透鏡由高折射率材料組成，平行光由光學非球面一側平行于光軸射入透鏡，經特殊光學非球面折射，聚焦于透鏡的圓形光學平面的表面幾何中心。當在該耦合透鏡的光學平面上鍍上表面等離子體金屬材料時，可在平行于透鏡光軸的零角度入射在透鏡的平面表面幾何中心處激發表面等離子體。本發明專利技術有效避免了SPR棱鏡耦合系統的大角度入射造成的三角式機械架構復雜、像差大、檢測精度低等問題。

A surface plasmon optical coupled super lens with zero angle incidence

The invention provides a surface plasmon zero incident angle (SPR) optical coupling lens, composed of three optical surfaces: a surface morphology for the special optical design of the invention aspheric surface, a high degree of cylindrical surface, a circular optical plane. The coupled lens is axially symmetrical in the normal direction of the center of the optical plane, and the cross section is circular in parallel to the lens plane of the lens. The coupling lens with a high refractive index material, parallel light from one side of the aspheric optical parallel to the optical axis into the lens, the special optical aspheric surface refraction, the geometric center of circular optical plane focusing on lens. When the surface plasma metal material is plated on the optical plane of the coupling lens, the surface plasma can be excited at the zero angle of the optical axis parallel to the lens axis, and the surface plasma is excited at the geometric center of the plane surface of the lens. The invention effectively avoids the problems of complex mechanical structure, large aberration and low detection accuracy caused by the large angle incidence of the SPR prism coupling system.

【技術實現步驟摘要】
一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡
本專利技術涉及光學
，尤其涉及一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡。
技術介紹
表面等離子體(SurfacePlasmonResonance，SPR)是在金屬和電介質的界面上傳播的一種表面電磁波，在金屬/電介質界面處的電場強度最大且在垂直于界面的法向上呈指數衰減。表面等離子體波的波矢量大于真空條件下的光波矢量，因此通常需要借助于其他手段來實現波矢的匹配從而激發SPR，常用的耦合方法有棱鏡耦合、波導耦合、光柵耦合等。在棱鏡耦合系統中，由于SPR僅在特定的入射角下才能激發，目前廣泛采用的是三角式機械架構來匹配SPR的激發角和經棱鏡后的反射光的探測，即照明光路和檢測光路都與法線成一個角度，整個系統的機械架構復雜、實現困難、棱鏡不是一種理想的成像光學元器件造成的像差較大、對光機電的控制要求較高、SPR儀器的成本居高不下，而且難以與大多采用法向零角度入射的常規光學表征技術兼容。本專利技術提出了一種零角度入射的SPR光學耦合超透鏡，能夠實現零角度入射下的SPR激發和檢測，免去了必須使用三角機械架構的要求，機電系統控制大為簡化，成本降低且能與其他光學技術方便地兼容。
技術實現思路
(一)要解決的技術問題目前廣泛采用的棱鏡SPR耦合系統通常采用三角式機械架構來匹配SPR的激發角和經棱鏡后的反射光的探測，即照明光路和檢測光路都與棱鏡斜面的法線構成一個角度，整個系統的機械架構復雜、實現復雜、像差大(棱鏡不是一種理想的成像光學元器件)、對光機電的控制較高、SPR儀器的成本居高不下，而且難以與其他的多采用法向零角度入射的常規光學表征技術兼容。為解決這一問題，本專利技術提出了一種零角度入射的SPR光學耦合超透鏡。(二)技術方案本專利技術提出一種高數值孔徑的表面等離子體超透鏡，由三個光學面組成，一個表面形貌為本專利技術設計的特殊光學非球面，一個表面為圓形光學平面，一個為高度確定的圓柱面。超透鏡的三維形狀對稱，光軸平行于入射平行光并與光學平面相交于中心。本專利技術的高數值孔徑表面等離子體超透鏡采用對可見光透明的高折射率材料組成，平行光由非球面入射到等離子體超透鏡，經過一次折射后，聚焦到光學平面中心，從而激發樣品的SPR，達到檢測目的。非球面等離子體超透鏡的曲線由設計的遞推公式求出，以曲線頂點為原點，頂點切線為x軸建立平面直角坐標系，將等離子體超透鏡的曲線分為m份，每個點設為(xi(m),yi(m))，對應的曲面法線與入射光的夾角為孔徑半角分為2m-1份，設為θ(m),等離子體超透鏡折射率n，h為非球面曲線頂點到其赤道面的距離，f為圓柱面高度，于是有其中，y(m)＝-x(m)*cot[θ(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[θ(2m-2)]x(1)＝0y(1)＝0yalt(1)＝0x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)]y(2)＝0yalt(2)＝0本專利技術的上述技術方案有如下優點：1.采用本專利技術的免油浸單透鏡能夠實現與油浸或固浸顯微物鏡類似的高數值孔徑特性；2.本專利技術提出的表面等離子體超透鏡具有無球差、體積小、結構簡單、成本低等優點；3.能夠實現零角度入射下的SPR激發和檢測，免去了必須使用三角機械架構的要求，機電系統控制大為簡化，成本降低且能與其他光學技術方便地兼容；4.基于本專利技術的表面等離子體光學耦合超透鏡的SPR耦合檢測系統具有像差小，檢測精度高等優點；5.當平行光沿透鏡光軸零角度入射到透鏡的非球面時，本專利技術的表面等離子體超透鏡能夠產生二維尺度下的從零度到最大孔徑半角的寬入射角范圍，不僅能夠在二維尺度下更小局域范圍內激發SPR從而對更小局域的樣品進行探測，而且能夠獲得二維的SPR吸收光譜從而更為精確地進行識別和檢測。以上顯示和描述了本專利技術的基本原理和主要特征和本專利技術的優點。本行業的技術人員應該了解，本專利技術不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本專利技術的原理，在不脫離本專利技術精神和范圍的前提下，本專利技術還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本專利技術范圍內。本專利技術要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。附圖說明圖1為零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡的折射示意圖；圖2為表面等離子體光學耦合超透鏡的三維幾何圖；圖3為表面等離子體光學耦合超透鏡在待測樣品表面的聚焦圖；圖4為表面等離子體光學耦合超透鏡的應用系統圖；其中：圖1中∠OCG＝θ(2m-4),∠OCA＝θ(2m-2)，∠OCD＝θ(2m-3)，G(xi(m-1),yi(m-1)),A(xi(m),yi(m))，B點縱坐標yialt(m)；圖3中，入射光為平行光；401為表面等離子體光學耦合超透鏡，402為金，403為待測樣品；圖4中1為照明系統，2為探測系統，3為分光鏡，401為表面等離子體光學耦合超透鏡，402為表面等離子體金屬薄膜，403為待測樣品。具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本專利技術的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本專利技術，但不用來限制本專利技術的范圍。具體實施方式一：本專利技術提供了一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，能夠應用于表面等離子體的耦合和檢測。結合圖1、3、4說明具體實施方式，本專利技術所述的一種高數值孔徑表面等離子體光學耦合超透鏡，由三個光學面組成，其中一個形貌為本專利技術設計的特殊非球面，一個為高度確定的圓柱面，一個為光學平面，其形狀為圓形。本專利技術提供了一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，能夠應用于表面等離子體的耦合和檢測。系統包括：折射率為n的表面等離子體光學耦合超透鏡，表面等離子體傳感芯片，待測樣品。載玻片放置在非球面的赤道面平面上，超透鏡裝置能夠達到NA＝n·sinα的有效數值孔徑，其中n為表面等離子體超透鏡折射率，α為平行光入射時表面等離子體超透鏡能夠提供的最大孔徑半角。特殊非球面的截面圖如圖1所示，以OC為Y軸，以垂直OC方向為X軸，以O為原點建立直角坐標系。將等離子體超透鏡的曲線分等為m份，每個點設為(xi(m),yi(m))，對應的曲面法線與入射光的夾角為φ(2m-2),孔徑半角分為2m-1份，設為θ(m),等離子體超透鏡折射率n，h為特殊設計曲線頂點到其直徑的距離，f為圓柱面高度，于是有其中，y(m)＝-x(m)*cot[θ(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[θ(2m-2)]x(1)＝0y(1)＝0yalt(1)＝0x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)]y(2)＝0yalt(2)＝0具體實施方式二：一種光學耦合超透鏡，其結構如權利要求一中所述，將其應用于如圖4所示的表面等離子體光學檢測系統中時，其特性如下：系統由照明系統(1)，探測系統(2)，分光鏡(3)，等離子體超透鏡(401)，表面等離子體傳感芯片(402)，待測樣品(403)組成。表面等離子體傳感芯片(402)放在表面等離子體光學耦合超透鏡的光學平面上，待測樣品(403)置于表面等離子體傳感芯片上。照明系統(1)發出的光束經分光鏡的分光后，零角度入射到表面等離子體光學耦合超透鏡時，經過非球面的一次折射，將光束聚焦在表面等離子體光學耦合超透鏡的光學平面中心。表面等離子體光學耦合超透鏡的數值孔徑取決于超透鏡的非球面形貌本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，由三個光學面組成，一個表面形貌為本專利技術設計的特殊光學非球面，一個為圓形光學平面，一個為高度確定的圓柱面。

【技術特征摘要】
1.一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，由三個光學面組成，一個表面形貌為本發明設計的特殊光學非球面，一個為圓形光學平面，一個為高度確定的圓柱面。2.根據權利要求1所述的一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，其特征在于，所述光學耦合超透鏡關于其自身圓形平面中心軸線對稱，在平行于透鏡光學平面的橫截面為圓形。3.根據權利要求1所述的一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，其特征在于，表面等離子體光學耦合超透鏡由對可見光透明的固態高折射率材料組成。4.根據權利要求1所述的一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，其特征在于，當平行光由光學非球面一側入射，經過一次折射后可聚焦在表面等離子體超透鏡的光學平面的表面幾何中心。5.根據權利要求1所述的一種零角度入射的表面等離子體光學耦合超透鏡，有效數值孔徑為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張蓓，趙子琦，荊嘉瑋，劉雨，閆鵬，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京,11