CN102621610B - 一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，该方法选取合适的基底材料，在基底上蒸镀或溅射沉积一层金属膜，让一定偏振态的单色光垂直于金属膜上表面入射；选取金属膜上表面的中心点为坐标原点，过中心点的坐标轴分别为x轴和y轴，垂直于金属膜的中心点连线为z轴；依据等光程原理，计算出金属膜的Fresnel各级环带位置；利用现有纳米加工技术，对金属膜的各环带区域开纳米小孔。环带区域内纳米小孔的周期或非周期排布位置由入射光的偏振态决定；紧接着交替蒸镀或溅射沉积纳米厚度的金属和介质平面多层膜结构。本发明所设计的透镜结构简单，可以用于纳米光刻和数据存储，大量提高电子器件的集成度，具有广阔的发展前景。

Description

一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法

技术领域

本发明涉及金属纳米孔阵列的超衍射极限聚焦的技术领域，特别涉及一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其可以制作出一种各级波带区域内开孔的金属膜和交替沉积金属和介质多层膜结构结合的分辨力增强型透镜。

背景技术

近年来，纳米加工技术的发展，越来越多的研究学者开展纳米光子学的研究。纳米光子学在单分子探测、等离子体激光、超分辨聚焦和成像以纳米光刻等领域内有重要的应用前景。传统波带片以及显微技术由于在空气中聚焦，通常聚焦光斑都是衍射受限。虽然传统相衬技术以及浸油技术能够在一定程度上提高分辨力。然而人们对于光学分辨更高的要求为研究学者提出了新的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统波带片以及显微技术衍射受限的不足，利用各级环带纳米开孔金属膜结构产生的倏逝波和纳米厚度交替金属和介质多层膜结构的倏逝波传播能力，实现更高分辨力的远场超衍射极限聚焦，方便用于纳米光刻和高容量数据存储装置的一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其特征在于步骤如下：

步骤(1)选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择可以透光的基底材料；

步骤(2)在基底表面蒸镀厚度为d的遮光金属膜，一定偏振态的工作波长λ的单色光垂直于遮光金属膜上表面入射；

步骤(3)根据式(1)计算入射波光在所取的遮光金属膜中的趋肤深度：

$d_F=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{{{\mathrm{\ϵ}}_1}^2}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

其中d_F表示趋肤深度，ε₁表示遮光金属的介电常数的实部，ε₂表示遮光金属周围介质的介电常数；

步骤(4)取垂直穿过遮光金属膜的中心位置为z轴，假设z轴与遮光金属膜上表面相交位置为坐标原点，过遮光金属膜上表面中心点连线分别为x轴和y轴。在遮光金属膜表面(x-y平面)进行抽样，依据

Fresnel波带的第一级位置应该选择距原点

那么将m＝0代入公式(2)、(3)计算，可以得到第一环带的径向宽度w_2m+1＝|r_2m+1-r_2m|，

φ_2m+1-φ_2m＝π(2)

${\mathrm{\φ}}_{2m+1}=2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}({x_{2m+1}}^2+{y_{2m+1}}^2)}/\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

其中，λ是入射光在自由空间中的波长，ε_xy和ε_zz分别是遮光金属膜下方交替蒸镀纳米厚度的贵金属和介质多层膜横向和纵向的等效介电常数，f为设计聚焦透镜的焦距，w_2m+1为第2m+1个环带的径向宽度；

步骤(5)为了使遮光金属膜上的所有环带对聚焦光斑都有正贡献，各个环带间的相位差应为2mπ。将m＝1代入公式(2)、(3)，可知第3个环带的位置和径向宽度由(4)、(5)、(6)式表示

$r_{2m}=\sqrt{{x_{2m}}^2+{y_{2m}}^2}=\sqrt{({\left(2m\right)}^2{\mathrm{\λ}}^2/4+\left(2m\right)\mathrm{\λ}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}{r_0}^2})/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+{r_0}^2}---\left(4\right)$

$r_{2m+1}=\sqrt{{x_{2m+1}}^2+{y_{2m+1}}^2}=\sqrt{({(2m+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2/4+(2m+1)\mathrm{\λ}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}{r_0}^2})/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+{r_0}^2}---\left(5\right)$

w_2m+1＝|r_2m+1-r_2m|(6)

利用等光程原理，由(4)、(5)、(6)式可以得到第三个环带(m＝1)在掩模金属膜上的位置和环带宽度；

步骤(6)同理，通过重复步骤(5)计算出第2m+1(m＞1)环带的空间位置和环带宽度，从而获得Fresnel波带在遮光金属膜上的环带排布；

步骤(7)根据上述设计所得的各个环带的空间位置，利用现有加工技术进行制作，对各个环带进行开孔处理；

步骤(8)纳米小孔在各级环带的大小、形状和分布由入射光的偏折态决定；

步骤(9)对基底上的遮光金属膜的各级环带位置打孔处理之后，交替蒸镀纳米厚度的贵金属和介质多层膜结构。沉积多层膜的厚度为设定的超衍射聚焦结构透镜的焦距f。

所述步骤(2)中的入射光可以为线偏振、圆偏振、椭圆偏振以及自然偏振光。

所述步骤(8)中的纳米小孔可以为圆孔、方孔或者其他形状的小孔。

所述步骤(8)中的纳米小孔可以为周期、非周期或者部分周期排布方式，排布方式由入射光偏振态和入射光方向决定。

所述步骤(9)中的贵金属介质多层膜的厚度远小于入射光波长，色散特性可以为椭圆色散、双曲色散等。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

本发明利用各环带区域的纳米开孔产生的倏逝波和纳米厚度金属和介质多层膜结构的倏逝波传播能力，提出高分辨力超衍射聚焦结构透镜的设计和制作方法；与超级光栅和传统波带片相比，各级环带区域开孔的超衍射结构透镜对线偏振、圆偏振、椭圆偏振以及自然偏振光都能够聚焦；各级环带区域开孔的超衍射结构透镜具有更好的聚焦效果和更小的聚焦光斑；同时，该透镜能够对垂直、倾斜入射光都能实现超衍射极限以下甚至深度衍射极限以下的聚焦光斑，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所设计的超衍射聚焦结构透镜的剖面图；

图2是本发明实施例所设计的超衍射聚焦结构透镜的俯视图；

图3为本发明实施例设计所得的第(1、3、5……)级波带空间位置所对应的波带宽度；

图4是本发明实施例所设计的超衍射聚焦结构透镜的剖面电场分布图；

图中：1为基底二氧化硅，2为金属铬，3为金属银。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

本发明实施例的具体步骤如下：

(1)选取工作波长λ为442nm，偏振模式为圆偏振，确定所设计的分辨力增强型超衍射聚焦结构透镜的焦距为f＝0.8um；

(2)选择二氧化硅作为基底材料，在其表面蒸镀50nm的金属铬；

(3)让入射光垂直于金属铬膜上表面入射，运用公式(1)计算得到在工作波长下光的趋肤深度为10nm；

$d_F=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{{{\mathrm{\ϵ}}_1}^2}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

ε₁表示金属铬的介电常数的实部，其值为-13.26，ε₂表示空气的介电常数，其值为1；

(4)取垂直穿过金属膜的中心位置为z轴，假设z轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，过金属膜上表面中心点连线分别为x轴和y轴。在金属膜表面(x-y平面)进行抽样，依据

Fresnel波带的第一级位置r₀＝470nm，r₁＝480nm可以得到第一环带的径向宽度w_2m+1＝10nm；

其中，ε_xy＝-2.215+0.115i和ε_zz＝6.4207+0.1091i分别是金属铬膜下方交替蒸镀纳米厚度的金属银和二氧化硅多层膜横向和纵向的等效介电常数；

(5)为了使金属膜上的所有环带对聚焦光斑都有正贡献，各个环带间的相位差应为2mπ。将m＝1代入公式(2)、(3)，可知第3个环带的位置和径向宽度由(4)、(5)、(6)式表示：

$r_{2m}=\sqrt{{x_{2m}}^2+{y_{2m}}^2}=\sqrt{({\left(2m\right)}^2{\mathrm{\λ}}^2/4+\left(2m\right)\mathrm{\λ}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}{r_0}^2})/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+{r_0}^2}---\left(4\right)$

$r_{2m+1}=\sqrt{{x_{2m+1}}^2+{y_{2m+1}}^2}=\sqrt{({(2m+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2/4+(2m+1)\mathrm{\λ}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}{r_0}^2})/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+{r_0}^2}---\left(5\right)$

w_2m+1＝|r_2m+1-r_2m|(6)

利用等光程原理，由(4)、(5)、(6)式可以得到第三个环带(m＝1)在金属铬膜上的位置和环带宽度；

(6)同理，通过重复步骤(5)计算出第2m+1(m＞1)环带的空间位置和环带宽度，从而获得Fresnel波带在金属膜上的环带排布；

(7)根据上述设计所得的各个环带的空间位置，利用现有加工技术进行制作，对各个环带打10～20的孔，孔在各级环带的分布位置关于金属膜中心点对称；

(8)对基底上的金属膜的各级环带位置打孔处理之后，交替蒸镀5层10纳米厚度的银膜和5层10纳米厚度的二氧化硅多层膜结构。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤（1）、选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择透光的基底材料；

步骤（2）、在基底表面蒸镀或溅射沉积厚度为d的遮光金属膜，一定偏振态的工作波长λ的单色光垂直于遮光金属膜上表面入射；

步骤（3）、根据式（1）计算入射光在所取的遮光金属膜中的趋肤深度：

$d_F=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1^2}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

其中d_F表示趋肤深度，ε₁表示遮光金属的介电常数的实部，ε₂表示遮光金属周围介质的介电常数；

步骤（4）、取垂直穿过遮光金属膜的中心位置为z轴，假设z轴与遮光金属膜上表面相交位置为坐标原点，过遮光金属膜上表面中心点连线分别为x轴和y轴；在遮光金属膜表面(x-y平面)进行抽样，依据

Fresnel波带的第一级环带位置应该选择距原点那么将m＝0代入公式（2）、（3）计算，能够得到第一环带的径向宽度w_2m+1＝|r_2m+1-r_2m|，

φ_2m+1-φ_2m＝π   （2）

${\mathrm{\φ}}_{2m+1}=2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}({x_{2m+1}}^2+{y_{2m+1}}^2)}/\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

其中，λ是入射光在自由空间中的波长，ε_xy和ε_zz分别是遮光金属膜下方交替蒸镀或溅射沉积的纳米厚度的贵金属和介质多层膜横向和纵向的等效介电常数，f为设计聚焦透镜的焦距，w_2m+1为第2m+1个环带的径向宽度；

步骤（5）、为了使遮光金属膜上的所有环带对聚焦光斑都有正贡献，各个环带间的相位差应为2mπ；将m=1代入公式(2)、(3)，可知第3个环带的位置和径向宽度由（4）、（5）、（6）式表示：

$r_{2m}=\sqrt{{x_{2m}}^2+{y_{2m}}^2}=\sqrt{({\left(2m\right)}^2{\mathrm{\λ}}^2/4+\left(2m\right)\mathrm{\λ}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}{r_0}^2})/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+{r_0}^2}---\left(4\right)$

$r_{2m+1}=\sqrt{{x_{2m+1}}^2+{y_{2m+1}}^2}=\sqrt{({(2m+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2/4+(2m+1)\mathrm{\λ}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}{f}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}{r_0}^2})/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+{r_0}^2}---\left(5\right)$

w_2m+1＝|r_2m+1-r_2m|  （6）

利用等光程原理，由（4）、（5）、（6）式能够得到第三个环带即m=1时在掩模金属膜上的位置和环带宽度；

步骤（6）、同理，通过重复步骤（5）计算出第2m+1环带的空间位置和环带宽度，其中m>1，从而获得Fresnel波带在遮光金属膜上的环带排布；

步骤（7）、根据上述设计所得的各个环带的空间位置，利用现有加工技术进行制作，对各个环带进行开孔处理，得到纳米小孔；

步骤（8）、纳米小孔在各级环带的大小、形状和分布由入射光的偏折态决定；

步骤（9）、对基底上的遮光金属膜的各级环带位置打孔处理之后，交替蒸镀或溅射沉积纳米级厚度的贵金属和介质多层膜结构；沉积多层膜的厚度为设定的超衍射聚焦结构透镜的焦距f。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中的入射光为线偏振、圆偏振或自然偏振光。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤（8）中的纳米小孔为圆孔或者方孔。

4.根据权利要求1所述的一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤（8）中的纳米小孔为周期、非周期或者部分周期排布方式，排布方式由入射光偏振态和入射光方向决定。

5.根据权利要求1所述的一种高分辨力超衍射聚焦结构透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤（9）中的贵金属和介质多层膜的厚度远小于入射光波长，色散关系为椭圆色散或双曲色散。

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