一種包含納米縫的金屬膜透鏡，其特征在于：首先確定入射波，再選取合適的基底材料，在基底上再蒸鍍一層金屬膜，讓入射波垂直于金屬膜表面入射，計(jì)算入射波在所取的金屬膜中的趨膚深度；在金屬膜上選定ｘ軸方向，在ｘ軸正方向上抽樣；然后通過計(jì)算每個抽樣點(diǎn)的相位改變量、傳播常數(shù)計(jì)算出每個抽樣點(diǎn)金屬縫的寬度；取ｘ軸負(fù)方向上的縫隙排布與其正方向上縫隙排布呈對稱分布；最后根據(jù)設(shè)計(jì)所得的各抽樣點(diǎn)的縫寬；利用現(xiàn)有加工技術(shù)進(jìn)行制作，得到包含納米縫的金屬膜透鏡。本發(fā)明專利技術(shù)可以根據(jù)事先給定的任意物像位置來改變金屬膜透鏡的縫隙分布以實(shí)現(xiàn)近場或者遠(yuǎn)場成像，同時(shí)本發(fā)明專利技術(shù)所設(shè)計(jì)的透鏡結(jié)構(gòu)簡單，可以很方便的用于光路系統(tǒng)集成，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
專利技術(shù)涉及一種金屬納米縫陣列成像裝置，特別涉及一種包含納米縫的金屬膜透鏡。
技術(shù)介紹
近年來，納米技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其在生物醫(yī)學(xué)檢測等方面的應(yīng)用也對相應(yīng)的近場光學(xué)成像提出了新的要求，各種成像器件正在逐步朝著小型化和集成化的方向發(fā)展。在一系列的新型成像器件中，超透鏡(Superlens)越來越受到人們的關(guān)注，超透鏡最大的優(yōu)點(diǎn)是可以突破傳統(tǒng)衍射極限，從而達(dá)到一個很高的成像分辨率；然而其缺點(diǎn)也很明顯，由于超透鏡成像利用了倏逝波放大原理，所以成像位置僅限于離銀層非常近的一段距離，一般為幾十納米，雖然可以通過加入其它結(jié)構(gòu)將超透鏡成像引至遠(yuǎn)場，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜并且對準(zhǔn)精度要求很高，不利于系統(tǒng)集成化。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用表面等離子體原理引出了一種結(jié)構(gòu)簡單，方便用于光路系統(tǒng)集成的包含納米級縫隙的金屬膜透鏡。 本專利技術(shù)解決其技術(shù)所采用的技術(shù)方案一種包含納米縫隙的金屬膜透鏡，其特征在于步驟如下 (1)選擇入射光的工作波長λ，根據(jù)其波長選擇可以透光的基底材料； (2)在基底表面蒸鍍厚度為d的金屬膜，入射光垂直于金屬膜上表面入射； (3)根據(jù)式(1)計(jì)算入射波在所取的金屬膜中的趨膚深度 其中dF表示趨腹深度，ε1表示金屬的介電常數(shù)的實(shí)部，ε2表示金屬周圍介質(zhì)的介電常數(shù)； (4)取垂直穿過金屬膜中心的軸為中軸，假設(shè)中軸與金屬膜上表面相交位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在金屬膜上表面取過原點(diǎn)的某方向?yàn)閤軸方向，確定x軸正方向，在x軸正方向上進(jìn)行抽樣，取第一抽樣點(diǎn)在x1＝0處，假設(shè)第一個抽樣點(diǎn)處的縫寬L(x1)為L0，那么將i＝1代入公式(2)、(3)計(jì)算，可以得到第一個抽樣點(diǎn)處對應(yīng)的相位改變量Δφ(x1)即Δφ0， β(xi)＝Δφ(xi)/d(2) 其中，k0是光在自由空間中的波矢，εd和εm分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬的介電常數(shù)，L(xi)為第i個抽樣點(diǎn)處縫的寬度，此處L(x1)＝L0，β(xi)表示第i個抽樣點(diǎn)處的傳播常數(shù)、Δφ(xi)表示第i個抽樣點(diǎn)處的相位改變量； (5)第二個抽樣點(diǎn)的位置x2＝L(x1)+2dF，由成像原理中的等光程原理可知該位置處所需的相位改變量可由公式(4)得出 參數(shù)a是物點(diǎn)到金屬薄膜上表面的距離，即為物距，參數(shù)b是金屬薄膜下表面到像點(diǎn)中心處的距離，即為像距，物點(diǎn)和像點(diǎn)的中心都在金屬薄膜的中軸上面，n是一個任意的整數(shù)，Δφ0為第一個抽樣點(diǎn)處對應(yīng)的相位改變量； 根據(jù)該相位改變量，該抽樣點(diǎn)對應(yīng)的縫寬L(x2)可以由(2)、(3)兩式計(jì)算得到；(6)依此類推，第i(i＞2)個抽樣點(diǎn)其位置為xi，那么有L(xk)為第k個抽樣點(diǎn)縫的寬度，通過重復(fù)步驟(5)和步驟(4)可以得到各點(diǎn)對應(yīng)的縫隙寬度，從而獲得在x軸正方向上的縫隙排布； (7)取在x軸負(fù)方向上的縫隙排布與其正方向上獲得的縫隙排布呈對稱分布； (8)根據(jù)上述設(shè)計(jì)所得的各抽樣點(diǎn)的縫寬，利用現(xiàn)有加工技術(shù)進(jìn)行制作，獲得包含納米縫的金屬膜透鏡。 所述步驟(1)中的可透光的基底材料的可以為石英，二氧化硅。 所述步驟(1)中的選取的工作波的偏振模式為TM模式。 所述步驟(2)中的金屬膜的厚度d一般為300納米到1微米。 所述步驟(2)中的金屬膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬金、銀、銅或鋁。 所述步驟(4)中的原點(diǎn)處的縫寬L0可以為0nm到60nm。 所述步驟(5)中n的選擇使得相位改變量在一個調(diào)制周期0～2π內(nèi)。 本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是利用表面等離子體對光波的相位調(diào)制，來設(shè)計(jì)一種包含納米級縫隙的金屬膜透鏡，該透鏡可以實(shí)現(xiàn)近場區(qū)域內(nèi)的成像；相比于超透鏡，可以根據(jù)事先給定的任意物像位置來改變金屬膜透鏡的縫隙分布以實(shí)現(xiàn)近場或遠(yuǎn)場成像；同時(shí)，該金屬膜透鏡結(jié)構(gòu)非常簡單，可以很方便的用于光路系統(tǒng)集成，具有廣闊的應(yīng)用前景。 附圖說明 圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例所設(shè)計(jì)的金屬膜透鏡的剖面圖； 圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例所設(shè)計(jì)的金屬膜透鏡的俯視圖； 圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例設(shè)計(jì)所得的各抽樣點(diǎn)處的金屬縫寬； 圖中1為基底二氧化硅，2為金屬銀，3為通光的空氣縫隙。 具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明，但本專利技術(shù)的保護(hù)范圍并不僅限于下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。 本專利技術(shù)實(shí)施例的具體步驟如下 (1)選取工作波長λ為810nm，偏振模式為TM模式，確定所設(shè)計(jì)的金屬膜透鏡成像時(shí)的物距和像距都為1um； (2)選擇二氧化硅作為基底材料，在其表面蒸鍍300nm的金屬銀； (3)讓入射光垂直于金屬膜上表面入射，運(yùn)用公式(1)計(jì)算得到在工作波長下光的趨膚深度為25nm； ε1表示金屬銀的介電常數(shù)的實(shí)部，其值為-29.26，ε2表示空氣的介電常數(shù)，其值為1； (4)取垂直穿過金屬膜表面的軸為中軸，假設(shè)中軸與金屬膜上表面相交位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在金屬膜上表面上取過原點(diǎn)的某一方向?yàn)閤軸方向，確定x軸正方向，x1＝0位置處的抽樣點(diǎn)為第一個抽樣點(diǎn)，假設(shè)此處的縫隙寬度L(x1)即L0為10nm，那么由公式(2)和公式(3)計(jì)算以獲得該處的相位改變量Δφ(x1)即Δφ0為1.88； β(xi)＝Δφ(xi)/d(2) 其中，k0是光在自由空間中的波矢，εd和εm分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬的介電常數(shù)，L(xi)為第i個抽樣點(diǎn)金屬縫的寬度，β(xi)表示該抽樣點(diǎn)處的傳播常數(shù)，Δφ(xi)表示該抽樣點(diǎn)處的相位改變量； (5)沿x軸正方向選取第2個抽樣點(diǎn)，其位置為x2＝L(x1)+2dF＝60nm，由成像原理中的等光程原理可知該位置處所需的相位改變量可由公式(4)給出 參數(shù)a為物距，其值為1um，參數(shù)b為像距，其值為1um，物點(diǎn)和像點(diǎn)的中心都在金屬薄膜的中軸上面；此處n取值為0，可以使得此處的相位改變量為1.81；該相位改變量對應(yīng)的縫隙寬度L(x2)可以由公式(2)和公式(3)式計(jì)算得到所得L(x2)值為11nm； (6)在x軸正方向上依次選擇抽樣點(diǎn)，共取得25個抽樣點(diǎn)，第i(i＞2)個抽樣點(diǎn)其位置為xi，那么L(xk)為第k個抽樣點(diǎn)縫的寬度，通過步驟(5)和步驟(4)的計(jì)算，可以得到各點(diǎn)對應(yīng)的縫隙寬度，從而獲得在x軸正方向上的縫隙排布； (7)取在x軸負(fù)方向上的縫隙排布與其正方向上獲得的縫隙排布呈對稱分布，可得51個抽樣點(diǎn)的縫隙寬度分布在10nm到60nm之間，如圖3所示； (8)根據(jù)上述設(shè)計(jì)所得的各抽樣點(diǎn)的縫寬，利用現(xiàn)有加工技術(shù)進(jìn)行制作，獲得包含納米縫的金屬膜透鏡，如圖1，圖2所示。權(quán)利要求1.一種包含納米縫的金屬膜透鏡，其特征在于包括下列步驟(1)選擇入射光的工作波長λ，根據(jù)其波長選擇可以透光的基底材料；(2)在基底表面蒸鍍厚度為d的金屬膜，入射光垂直于金屬膜上表面入射；(3)根據(jù)式(1)計(jì)算入射波在所取的金屬膜中的趨膚深度其中dF表示趨腹深度，ε1表示金屬的介電常數(shù)的實(shí)部，ε2表示金屬周圍介質(zhì)的介電常數(shù)；(4)取垂直穿過金屬膜中心的軸為中軸，假設(shè)中軸與金屬膜上表面相交位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在金屬膜上表面取過原點(diǎn)的某方向?yàn)閤軸方向，確定x軸正方向，在x軸正方向上進(jìn)行曲樣，取第一抽樣點(diǎn)在x1＝0本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種包含納米縫的金屬膜透鏡，其特征在于包括下列步驟：（１）選擇入射光的工作波長λ，根據(jù)其波長選擇可以透光的基底材料；（２）在基底表面蒸鍍厚度為ｄ的金屬膜，入射光垂直于金屬膜上表面入射；（３）根據(jù)式（１）計(jì)算入射波在所 取的金屬膜中的趨膚深度：＊＊＊（１）其中ｄ↓［Ｆ］表示趨腹深度，ε↓［１］表示金屬的介電常數(shù)的實(shí)部，ε↓［２］表示金屬周圍介質(zhì)的介電常數(shù)；（４）取垂直穿過金屬膜中心的軸為中軸，假設(shè)中軸與金屬膜上表面相交位置為坐標(biāo) 原點(diǎn)，在金屬膜上表面取過原點(diǎn)的某方向?yàn)椋S方向，確定ｘ軸正方向，在ｘ軸正方向上進(jìn)行抽樣，取第一抽樣點(diǎn)在ｘ↓［１］＝０處，假設(shè)第一個抽樣點(diǎn)處的縫寬Ｌ（ｘ↓［１］）為Ｌ↓［０］，那么將ｉ＝１代入公式（２）、（３）計(jì)算，可以得到第一個抽樣點(diǎn)處對應(yīng)的相位改變量△φ（ｘ↓［１］）即△φ↓［０］，β（ｘ↓［ｉ］）＝△φ（ｘ↓［ｉ］）／ｄ（２）＊＊＊（３）其中，ｋ↓［０］是光在自由空間中的波矢，ε↓［ｄ］和ε↓［ｍ］分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬的介電常數(shù)，Ｌ（ ｘ↓［ｉ］）為第ｉ個抽樣點(diǎn)處縫的寬度，此處Ｌ（ｘ↓［１］）＝Ｌ↓［０］，β（ｘ↓［ｉ］）表示第ｉ個抽樣點(diǎn)處的傳播常數(shù)、△φ（ｘ↓［ｉ］）表示第ｉ個抽樣點(diǎn)處的相位改變量；（５）第二個抽樣點(diǎn)的位置ｘ↓［２］＝Ｌ（ｘ↓［１］）＋２ｄ↓［Ｆ ］，由成像原理中的等光程原理可知該位置處所需的相位改變量可由公式（４）得出△φ（ｘ↓［ｉ］）＝２ｎπ＋△φ↓［０］＋２π／λ.（ａ＋ｂ－＊＊＊－＊＊＊）（４）參數(shù)ａ是物點(diǎn)到金屬薄膜上表面的距離，即為物距，參數(shù)ｂ是金屬薄膜 下表面到像點(diǎn)中心處的距離，即為像距，物點(diǎn)和像點(diǎn)的中心都在金屬薄膜的中軸上面，ｎ是一個任意的整數(shù)，△φ↓［０］為第一個抽樣點(diǎn)處對應(yīng)的相位改變量；根據(jù)該相位改變量，該抽樣點(diǎn)對應(yīng)的縫寬Ｌ（ｘ↓［２］）可以由（２）、（３）兩式計(jì)算得到； （６）依此類推，第ｉ（ｉ＞２）個抽樣點(diǎn)其位置為ｘ↓［ｉ］，那么有ｘ↓［ｉ］＝＊Ｌ（ｘ↓［ｋ］）＋２（ｉ－１）.ｄ↓［Ｆ］Ｌ（ｘ↓［ｋ］）為第ｋ個抽樣點(diǎn)縫的寬度，通過重復(fù)步驟（５）和步驟（４）可以得到各點(diǎn)對應(yīng)的縫隙寬度，從而獲得在ｘ軸正方 向上的縫隙排布；（７）取在ｘ軸負(fù)方向上的縫隙排布與其正方向上獲得的縫隙排布呈對稱分布；（８）根據(jù)上述設(shè)計(jì)所得的各抽樣點(diǎn)的縫寬，利...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：羅先剛，徐挺，杜春雷，王長濤，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：51[中國|四川]
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