專利名稱：一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種透鏡設計方法，具體地說是一種新型的三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡。1998年，Ebbessen等人發(fā)現(xiàn)當光通過亞波長金屬孔陣列時，其零階透射光譜在某些 波長的透射率數(shù)值比經(jīng)典孔徑理論的期望值大幾個數(shù)量級。這項發(fā)明引起了人們極大的興 趣，對異常透射現(xiàn)象的研究也隨之成為熱潮。此時的研究對象主要集中于二維周期性排列 的孔陣列和單個亞波長金屬孔，所有與異常透射有關的因素金屬結(jié)構(gòu)本身的幾何形狀， 材料，結(jié)構(gòu)大小，相對位置，入射光的頻率和偏振方向，周期性排列方式，以及亞波長結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)種類等一一被揭露。通過實驗觀察和理論建模得出的結(jié)果顯示組成二維金屬孔面陣的各線陣間存在電磁耦合作用。當兩條線陣間距約等于線陣內(nèi)孔的周期時透射最大， 即耦合作用最明顯。同等面積的矩形孔比圓孔具有更高的透射率。對于單個矩形孔來說， 其長短邊比值越大，面積均一化的透射率也越大。采用其他方法比如在孔內(nèi)填充介質(zhì)，也 可以提高透射。但是這些研究均集中在透過率增強方面，為了設計高透過率的亞波長光學 器件，必須研究其相位特性，國內(nèi)史浩飛研究了二維金屬縫對相位的調(diào)制特性，羅先剛研究了二維金屬槽對相位的調(diào)制特性，但是只能實現(xiàn)相位在o到"之間的調(diào)制，無法進行實際的三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡的設計。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有的二維金屬縫和槽結(jié)構(gòu)的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)相位在-7到;r之間調(diào)制的三維金屬結(jié)構(gòu)透鏡設計方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種三維金屬結(jié)構(gòu)透鏡設計方法，其特點在于步驟如下(1) 根據(jù)入射波長義，確定基底材料以及金屬材料(2) 確定金屬層的厚度/j;(3) 針對單個方形金屬孔結(jié)構(gòu)，由計算得到相位延遲和方孔大小之間的關系為其中p表示相位延遲，A表示入射波長，fl表示方孔邊長大小，選取合適邊長的亞波長方孔， 即可完成相位延遲從- T到"的調(diào)制；背景技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
(4)透鏡焦距為/，通過衍射理論求得其表面任意點(x,力處的相位p，其表達式如下^Oc，;0 = 2m7r + y(Vx2+;;2+/2 一/) (2)其中m為任意整數(shù)，選取w值,使相位^Oc，力處于- r到;r之間；(5)計算所設計透鏡取樣點的相位，根據(jù)相位延遲與方孔大小之間的關系，確定每一 取樣點所對應的亞波長方孔大小，從而在金屬層中嵌入不同大小的方孔結(jié)構(gòu)，即可設計金 屬結(jié)構(gòu)透鏡。所述步驟(1)中的基底材料為紅外材料硅或鍺、或可見光材料石英，或玻璃。 所述步驟(1)中的金屬材料為金、或銀。 所述步驟(2)中的金屬層厚度A可以為1.6;i 2;i。所述步驟(3)中的金屬方孔尺寸大小均小于入射波長，即為亞波長量級。 所述步驟(4)中透鏡上各取樣點按正方形排布，選取取樣間距，以確保取樣點足夠多 并且相鄰取樣方孔不重疊。本專利技術(shù)所具有的益處是1、本專利技術(shù)通過對亞波長金屬結(jié)構(gòu)的特性研究擴展到三維方向上，通過計算獲得了 相位延遲跟方孔大小之間的調(diào)制關系，然后通過衍射理論計算獲得功能元件表面的相位分 布，通過采用大小不同的亞波長金屬方孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)每一點的相位延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)相位在 -;r到;r之間調(diào)制，從而實現(xiàn)三維金屬結(jié)構(gòu)透鏡的設計。2、本專利技術(shù)在一塊金屬層上面即可以完成透鏡的設計，設計過程簡單，并且制作相 對比較簡單。本專利技術(shù)設計所得的透鏡是一種衍射型透鏡，相比其他的衍射型透鏡，其衍射效率 更高。


圖1為本發(fā)明的金屬方孔結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的方孔大小與相位延遲之間的關系圖；圖3為本發(fā)明設計所得的金屬結(jié)構(gòu)透鏡示意圖，其中黑色部分表示金屬，為不透光區(qū)， 白色部分為方孔，為透光區(qū)。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式
及附圖對本發(fā)明進行詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限 于下列實施例，應包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。而且本領域技術(shù)人員從以下的一個實施 例即可實現(xiàn)權(quán)利要求中的全部內(nèi)容。
具體實施例一種應用亞波長金屬小孔進行結(jié)構(gòu)透鏡設計的過程如下(1) 選取入射波長為10.6um,基底材料采用紅外材料鍺，金屬材料為銀；(2) 確定金屬層的厚度為1.8義，即為19.08um;(3) 假設入射角為0度，各點金屬層厚度均相同，通過求解方程組獲得方孔大小跟相 位延遲之伺的關系如圖2所示，.從圖中可以看出，選取波長為0.532 A (5:64nm)到0.895 A(9.5nm)之間的亞波長方孔，即可完成相位延遲從-;r到;r的調(diào)制，也就是完成一個相 位調(diào)制周期；(4) 透鏡的焦距為240um，那么在元件表面每一點(x,;O處的相位p可以通過下述 公式來計算:= 2/n兀+ ， (^+/2 — /)義其中m為任意整數(shù)。在此選取適當?shù)膍值，以保證相位^(;c,力處于-7r到;r之間； 透鏡的相位取樣點按正方形排布，并且選擇取樣間距為0.95/l，即10tim。由于最大的方 孔尺寸為9.5nm，所以此時相鄰的方孔不重疊，并且取樣點數(shù)足夠多；(5) 根據(jù)計算所得關系曲線確定實現(xiàn)每抽樣點相位延遲所需要的方孔大小，設計而成 口徑為280ym的位相型金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其示意圖如圖3所示，本圖只是設計結(jié)果的示意圖， 實際設計結(jié)果中透鏡方孔個數(shù)為幾十到幾萬個。
權(quán)利要求
1、 一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其特征在于步驟如下-(1) 根據(jù)入射波長;i,確定基底材料以及金屬材料；(2) 確定金屬層的厚度A;(3) 針對單個方形金屬孔結(jié)構(gòu)，由計算得到相位延遲和方孔大小之間的關系為:其中p表示相位延遲，義表示入射波長，fl表示方孔邊長大小，選取合適邊長的亞波長方孔，即可完成相位延遲從-;r到;r的調(diào)制；(4)透鏡焦距為/，通過衍射理論求得其表面任意點(X，力處的相位p，其表達式如下其中加為任意整數(shù)，選取m值,使湘位p(x,力處于-;r到;r之間；(5)計算所設計透鏡取樣點的相位，根據(jù)相位延遲與方孔大小之間的關系，確定每一 取樣點所對應的亞波長方孔大小，從而在金屬層中嵌入不同大小的方孔結(jié)構(gòu)，即可設計金屬結(jié)構(gòu)透鏡。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其特征在于所述步驟(1)中的基底材料為紅外材料硅或鍺、或可見光材料石英，或玻璃。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其特征在于所述步驟(1) 中的金屬材料為金、或銀。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其特征在于所述步驟(2) 中的金屬層厚度A可以為1.6A 2A。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其特征在于所述步驟(3)中的金屬方孔尺寸大小均小于入射波長，即為亞波長量級。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，其特征在于所述步驟(4)中透鏡上各取樣點按正方形排布，選取合適的取樣間距，以確保取樣點足夠多并且相鄰取 樣方孔不重疊。
全文摘要
一種三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡，步驟如下(1)根據(jù)入射波長λ，確定基底材料以及金屬材料；(2)確定金屬層的厚度h；(3)針對單個方形金屬孔結(jié)構(gòu)，由計算得到相位延遲和方孔大小之間的關系，選取合適邊長的亞波長方孔，即可完成相位延遲從-π到π的調(diào)制；(4)透鏡焦距為f，通過衍射理論求得其表面任意點(x，y)處的相位φ；(5)計算所設計透鏡取樣點的相位，根據(jù)相位延遲與方孔大小之間的關系，確定每一取樣點所對應的亞波長方孔大小，從而在金屬層中嵌入不同大小的方孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實現(xiàn)了對相位的調(diào)制作用，可以得到三維亞波長金屬結(jié)構(gòu)透鏡。
文檔編號G02B27/00GK101144907SQ20071017601
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者周崇喜, 杜春雷, 媛 段, 羅先剛, 董小春, 陳彥中 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所