一种高透过率三维亚波长金属结构透镜转让专利
申请号 : CN200810101935.3
文献号 : CN101281297B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 杜春雷 , 段媛 , 周崇喜 , 陈艳中 , 史立芳
申请人 : 中国科学院光电技术研究所
摘要 :
一种高透过率三维亚波长金属结构透镜：(1)确定入射波长λ、基底材料及金属材料；(2)确定基底材料口径为L，金属层的厚度为h，基底放置于xy平面且中心在原点处；(3)通过在金属板上制作合适边长的空气孔，完成所需的该点处的相位调制；(4)计算得到d＝0.95λ时两孔出射面的能量最大；(5)由所设计的透镜焦距f，得到相位与位置以及入射波长之间的关使得相位(x，y)处于-π到π之间；(6)在金属板上进行取样，取样间隔为0.95λ，取样点按正方形排布，根据计算得到的每个抽样点的相位延迟，然后计算得到每一取样点所对应的方孔大小，在金属板中嵌入不同大小的金属孔结构，大视场金属结构透镜设计完成后利用现有加工手段对上述设计所得的透镜进行制作。本发明具有高透过率的优点。
权利要求 :
1.一种高透过率三维亚波长金属结构透镜，其特征在于步骤如下：(1)确定入射波长λ、基底材料以及金属材料；
(2)确定基底材料口径为L，金属层的厚度为h，基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射；
(3)在金属板上坐标(x，y)处制作边长为a的空气孔，根据公式(1)得到该点出射面的相位跟金属孔边长之间的关系
其中表示该点的相位，λ表示入射波长，h表示金属层的厚度，a表示金属板上空气孔的边长，通过在金属板上制作空气孔，完成该点处所需的相位调制；
(4)在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1和a2，其中心间距为d，计算得到d＝0.95λ两孔出射面的最大能量，即最大透过率；
(5)由所设计的透镜焦距f，通过衍射理论求得表面任意点(x，y)处的相位该相位与该点位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取m值，使得相位处于-π到π之间；
(6)在金属板上进行取样，取样间隔为0.95λ，取样点按正方形排布，根据步骤(5)中的公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据步骤(3)中的公式(1)计算得到每一取样点所对应空气孔的大小，从而在金属板中嵌入不同大小的空气孔结构，从而完成大视场金属结构透镜的设计；
(7)利用现有加工方法对上述设计所得的透镜进行制作，得到高透过率三维亚波长金属结构透镜。
2.根据权利要求1所述的高透过率三维亚波长金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(1)中的基底材料为：红外材料硅或锗、或可见光材料石英、或玻璃。
3.根据权利要求1所述的高透过率三维亚波长金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(1)中的金属材料为金、或银、或铜、或铝。
4.根据权利要求1所述的高透过率三维亚波长金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(2)中的金属层厚度h为1.6λ～2λ，其中λ为入射波长。
5.根据权利要求1所述的高透过率三维亚波长金属结构透镜，其特征在于：所述步骤(3)中的空气孔的边长和步骤(6)中的空气孔的大小均小于入射波长，即为亚波长量级。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种透镜设计方法，具体地说是一种高透过率三维亚波长金属结构透镜。
背景技术
1998年，Ebbessen等人发现：当光通过亚波长金属孔阵列时，其零阶透射光谱在某些波长的透射率数值比经典孔径理论的期望值大几个数量级。这项发明引起了人们极大的兴趣，对异常透射现象的研究也随之成为热潮。此时的研究对象主要集中于二维周期性排列的孔阵列和单个亚波长金属孔，所有与异常透射有关的因素：金属结构本身的几何形状，材料，结构大小，相对位置，入射光的频率和偏振方向，周期性排列方式，以及亚波长结构周围介质种类等一一被揭露。通过实验观察和理论建模得出的结果显示：组成二维金属孔面阵的各线阵间存在电磁耦合作用。当两条线阵间距约等于线阵内孔的周期时透射最大，即耦合作用最明显。同等面积的矩形孔比圆孔具有更高的透射率。对于单个矩形孔来说，其长短边比值越大，面积均一化的透射率也越大。采用其他方法比如在孔内填充介质，也可以提高透射。但是这些研究均集中在透过率增强方面，为了设计高透过率的亚波长光学器件，必须研究其相位特性，国内史浩飞研究了二维金属缝对相位的调制特性(参见HaofeiShi，Changtao Wang，Chunlei Du，Xiangang Luo，Xiaochun Dong，Hongtao Gao，”Beammanipulating by metallic nano-slits with variant widths，”OPTICS EXPRESS Vol.13，No.18，6815，2005)，罗先刚(参X.Luo，H.Wang，J.Shi，and H.Yao，Mod.Phys.Lett.B 18，1181，2004 andX.Luo and T.Ishihara，Appl.Phys.Lett.84，4780，2004)研究了二维金属槽对相位的调制特性，但是只能实现相位在0到π之间的调制，无法进行实际的高效率的三维亚波长金属结构透镜的设计。国内陈艳中等人进行了实际的三维亚波长金属结构透镜的设计，但是透过率不高，给出不高的值，只能达到30％左右。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有三维亚波长金属结构透镜透过率不高的问题，提出了一种可超过60％的高透过率三维亚波长金属结构透镜。
本发明的技术解决方案包括下列步骤：
(1)确定入射波长λ、基底材料以及金属材料。入射波长根据工作波长来确定，基底材料根据入射波长来确定，原则是要使入射波长透过，金属材料选择可以激发表面等离子体的材料：金、银、铜、铝。
(2)确定基底材料口径为L，金属层的厚度为h，基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射。口径是根据具体系统中的需要而确定的，厚度是通过反复选取不同的深度值，然后再计算每一厚度下所需制作的孔的尺寸，选择能使得制作最方便的厚度值。
(3)在金属板上坐标(x，y)处制作边长为a的空气孔，根据公式(1)得到该点出射面的相位跟金属孔边长之间的关系
其中表示该点的相位，λ表示入射波长，h表示金属层的厚度，a表示金属板上空气孔的边长，通过在金属板上制作空气孔，完成该点处所需的相位调制；
(4)在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1和a2，其中心间距为d，计算得到d＝0.95λ两孔出射面的最大能量，即最大透过率。在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1和a2，其中心间距为d，不断变换d的值，同时对每一个d值计算两孔出射面的能量，发现当d＝0.95λ时出射面的能量最大，即此时的透过率最大，所以该间距数值可以作为抽样的标准，Sout，Sint分别代表在以该间距进行抽样的情况下，出射面的能量以及入射面的能量，∑Sout和∑Sin分别表示出射面和入射面能量之和。
(5)由所设计时透镜焦距f，通过衍射理论求得表面任意点(x，y)处的相位该相位与该点位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取m值，使得相位处于-π到π之间。m值的选取首先利用公式计算得到相位值，如果该相位值不在-π到π之间，比如其值为3.5π，那么此时选择m的值为-2，使得等于-0.5π，在-π到π之间，使得相位处于-π到π之间。
(6)在金属板上进行取样，取样间隔为0.95λ，取样点按正方形排布，根据步骤(5)中的公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据步骤(1)中的公式(1)计算得到每一取样点所对应空气孔的大小，从而在金属板中嵌入不同大小的空气孔结构，从而完成大视场金属结构透镜的设计；
(7)利用现有加工方法对上述设计所得的透镜进行制作，得到高透过率三维亚波长金属结构透镜。
所述步骤(1)中的基底材料为：红外材料硅或锗、或可见光材料石英，或玻璃。
所述步骤(1)中的金属材料为金、或银。
所述步骤(2)中的金属层厚度h可以为1.6λ～2λ。
所述步骤(3)、(6)中的空气孔边长均小于入射波长，即为亚波长量级。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)按照本发明设计所得的三维亚波长金属结构透镜透射效率高，可以比原来提高近30％，因为两孔中心间距的变化可以使得两孔出射面的耦合作用增强，从而增大了透射效率。
(2)本发明在一块金属层上面即可以完成透镜的设计，设计过程简单，并且制作简单。
本发明的技术解决方案包括下列步骤：
(1)确定入射波长λ、基底材料以及金属材料。入射波长根据工作波长来确定，基底材料根据入射波长来确定，原则是要使入射波长透过，金属材料选择可以激发表面等离子体的材料：金、银、铜、铝。
(2)确定基底材料口径为L，金属层的厚度为h，基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射。口径是根据具体系统中的需要而确定的，厚度是通过反复选取不同的深度值，然后再计算每一厚度下所需制作的孔的尺寸，选择能使得制作最方便的厚度值。
(3)在金属板上坐标(x，y)处制作边长为a的空气孔，根据公式(1)得到该点出射面的相位跟金属孔边长之间的关系
其中表示该点的相位，λ表示入射波长，h表示金属层的厚度，a表示金属板上空气孔的边长，通过在金属板上制作空气孔，完成该点处所需的相位调制；
(4)在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1和a2，其中心间距为d，计算得到d＝0.95λ两孔出射面的最大能量，即最大透过率。在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1和a2，其中心间距为d，不断变换d的值，同时对每一个d值计算两孔出射面的能量，发现当d＝0.95λ时出射面的能量最大，即此时的透过率最大，所以该间距数值可以作为抽样的标准，Sout，Sint分别代表在以该间距进行抽样的情况下，出射面的能量以及入射面的能量，∑Sout和∑Sin分别表示出射面和入射面能量之和。
(5)由所设计时透镜焦距f，通过衍射理论求得表面任意点(x，y)处的相位该相位与该点位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取m值，使得相位处于-π到π之间。m值的选取首先利用公式计算得到相位值，如果该相位值不在-π到π之间，比如其值为3.5π，那么此时选择m的值为-2，使得等于-0.5π，在-π到π之间，使得相位处于-π到π之间。
(6)在金属板上进行取样，取样间隔为0.95λ，取样点按正方形排布，根据步骤(5)中的公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据步骤(1)中的公式(1)计算得到每一取样点所对应空气孔的大小，从而在金属板中嵌入不同大小的空气孔结构，从而完成大视场金属结构透镜的设计；
(7)利用现有加工方法对上述设计所得的透镜进行制作，得到高透过率三维亚波长金属结构透镜。
所述步骤(1)中的基底材料为：红外材料硅或锗、或可见光材料石英，或玻璃。
所述步骤(1)中的金属材料为金、或银。
所述步骤(2)中的金属层厚度h可以为1.6λ～2λ。
所述步骤(3)、(6)中的空气孔边长均小于入射波长，即为亚波长量级。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)按照本发明设计所得的三维亚波长金属结构透镜透射效率高，可以比原来提高近30％，因为两孔中心间距的变化可以使得两孔出射面的耦合作用增强，从而增大了透射效率。
(2)本发明在一块金属层上面即可以完成透镜的设计，设计过程简单，并且制作简单。
附图说明
图1是本发明实施例中空气孔边长跟相位之间的关系，其中横坐标表示小孔边长，其单位为λ；
图2为本发明实施例中透过率跟两孔间距之间的关系曲线，其中横坐标表示两孔间距，单位为λ，纵坐标表示透过率，为任意单位；
图3表示本发明实施例中设计所得的金属结构透镜示意图。
图2为本发明实施例中透过率跟两孔间距之间的关系曲线，其中横坐标表示两孔间距，单位为λ，纵坐标表示透过率，为任意单位；
图3表示本发明实施例中设计所得的金属结构透镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例：
本发明实施例的具体实现步骤如下：
(1)确定入射波长λ＝10.6um，基底材料为硅，金属采用银。入射波长是根据实际需要而确定的，因为是红外波段，所以采用硅可以透光，金属采用银，因为银是一种很好的可以激发表面等离子体的金属。
(2)确定基底材料口径为110um，金属层的厚度h为19.08um。口径是根据实际需要而确定的，金属层的厚度选为1.8λ，此时可以保证最终设计的正方形空气孔边长在0.53λ到0.9λ之间，这样制作上比较方便。基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射；
(3)如果在金属板上(x，y)制作边长为a的空气孔，那么根据公式(1)可以得到该点的相位跟空气孔边长之间的关系
其中表示该点的相位，λ表示工作波长，a表示金属板上空气孔的边长，通过在金属板上制作合适边长的空气孔，可以完成所需的该点处的相位调制，如图1所示；
(4)在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1等于7.42um和a2等于8.48um，其中心间距为d，应用软件FDTD进行仿真计算得到中心间距d＝0.95λ即d为10.07um时两孔出射面的能量最大，即透过率最大，如图2所示；
(5)由所设计的透镜焦距f，通过衍射理论可以求得表面任意点(x，y)处的相位该相位与位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取合适的m值(每一个抽样点处m的取值都是根据该点相位而确定的，因为本实施例的抽样点共121个，所以需要121个m值)，使得相位处于-π到π之间；
(6)在金属板上进行取样，取样间隔为10.07um，取样点按正方形排布，根据公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据公式(1)计算可以得到每一取样点所对应的空气孔大小，
第一排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.77 6.35 7.22 8.41 5.53 5.59 5.52 8.39 7.20 6.33 5.76
第二排空气孔大小分别为(单位为微米)：
6.35 7.55 5.53 5.74 5.95 6.05 5.96 5.76 5.55 7.51 6.43
第三排空气孔大小分别为(单位为微米)：
7.22 5.83 5.65 6.20 6.64 6.75 6.66 6.22 5.67 5.81 7.25
第四排空气孔大小分别为(单位为微米)：
8.41 5.74 6.20 6.76 7.31 7.67 7.35 6.72 6.22 5.76 8.40
第五排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.53 5.94 6.54 7.31 8.12 8.67 8.15 7.33 6.50 6.00 5.56
第六排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.59 6.05 6.75 7.67 8.67 9.39 8.65 7.62 6.70 6.09 5.62
第七排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.53 5.94 6.54 7.31 8.12 8.67 8.15 7.33 6.50 6.00 5.56
第八排空气孔大小分别为(单位为微米)：
8.41 5.74 6.20 6.76 7.31 7.67 7.35 6.72 6.22 5.76 8.40
第九排空气孔大小分别为(单位为微米)：
7.22 5.83 5.65 6.20 6.64 6.75 6.66 6.22 5.67 5.81 7.25
第十排空气孔大小分别为(单位为微米)：
6.35 7.55 5.53 5.74 5.95 6.05 5.96 5.76 5.55 7.51 6.43
第十一排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.77 6.35 7.22 8.41 5.53 5.59 5.52 8.39 7.20 6.33 5.76
从而在金属板中嵌入不同大小的空气孔结构，该高透过率的金属结构透镜设计完成，如图3所示；
(7)利用现有加工手段，如深刻蚀工艺方法即可实现对上述设计所得的透镜进行制作，从而得高透过率，如可达64％的三维亚波长金属结构透镜。
实施例：
本发明实施例的具体实现步骤如下：
(1)确定入射波长λ＝10.6um，基底材料为硅，金属采用银。入射波长是根据实际需要而确定的，因为是红外波段，所以采用硅可以透光，金属采用银，因为银是一种很好的可以激发表面等离子体的金属。
(2)确定基底材料口径为110um，金属层的厚度h为19.08um。口径是根据实际需要而确定的，金属层的厚度选为1.8λ，此时可以保证最终设计的正方形空气孔边长在0.53λ到0.9λ之间，这样制作上比较方便。基底放置于xy平面且中心在原点处，假设入射光垂直于基底沿z轴正方向入射；
(3)如果在金属板上(x，y)制作边长为a的空气孔，那么根据公式(1)可以得到该点的相位跟空气孔边长之间的关系
其中表示该点的相位，λ表示工作波长，a表示金属板上空气孔的边长，通过在金属板上制作合适边长的空气孔，可以完成所需的该点处的相位调制，如图1所示；
(4)在金属板上并行排列两个空气孔，其边长分别为a1等于7.42um和a2等于8.48um，其中心间距为d，应用软件FDTD进行仿真计算得到中心间距d＝0.95λ即d为10.07um时两孔出射面的能量最大，即透过率最大，如图2所示；
(5)由所设计的透镜焦距f，通过衍射理论可以求得表面任意点(x，y)处的相位该相位与位置以及入射波长之间的关系为：
其中m为任意整数，选取合适的m值(每一个抽样点处m的取值都是根据该点相位而确定的，因为本实施例的抽样点共121个，所以需要121个m值)，使得相位处于-π到π之间；
(6)在金属板上进行取样，取样间隔为10.07um，取样点按正方形排布，根据公式(2)计算得到每个抽样点的相位延迟，然后根据公式(1)计算可以得到每一取样点所对应的空气孔大小，
第一排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.77 6.35 7.22 8.41 5.53 5.59 5.52 8.39 7.20 6.33 5.76
第二排空气孔大小分别为(单位为微米)：
6.35 7.55 5.53 5.74 5.95 6.05 5.96 5.76 5.55 7.51 6.43
第三排空气孔大小分别为(单位为微米)：
7.22 5.83 5.65 6.20 6.64 6.75 6.66 6.22 5.67 5.81 7.25
第四排空气孔大小分别为(单位为微米)：
8.41 5.74 6.20 6.76 7.31 7.67 7.35 6.72 6.22 5.76 8.40
第五排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.53 5.94 6.54 7.31 8.12 8.67 8.15 7.33 6.50 6.00 5.56
第六排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.59 6.05 6.75 7.67 8.67 9.39 8.65 7.62 6.70 6.09 5.62
第七排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.53 5.94 6.54 7.31 8.12 8.67 8.15 7.33 6.50 6.00 5.56
第八排空气孔大小分别为(单位为微米)：
8.41 5.74 6.20 6.76 7.31 7.67 7.35 6.72 6.22 5.76 8.40
第九排空气孔大小分别为(单位为微米)：
7.22 5.83 5.65 6.20 6.64 6.75 6.66 6.22 5.67 5.81 7.25
第十排空气孔大小分别为(单位为微米)：
6.35 7.55 5.53 5.74 5.95 6.05 5.96 5.76 5.55 7.51 6.43
第十一排空气孔大小分别为(单位为微米)：
5.77 6.35 7.22 8.41 5.53 5.59 5.52 8.39 7.20 6.33 5.76
从而在金属板中嵌入不同大小的空气孔结构，该高透过率的金属结构透镜设计完成，如图3所示；
(7)利用现有加工手段，如深刻蚀工艺方法即可实现对上述设计所得的透镜进行制作，从而得高透过率，如可达64％的三维亚波长金属结构透镜。