一種低損耗平面超透鏡及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供低損耗平面超透鏡，平面超透鏡是由交替出現(xiàn)的深色和淺色的多層膜組成，層數(shù)在20層到30層之間，深色部分是增益層，淺色部分是金屬材料層，增益層材料厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm；最頂層為金屬層，最底層為增益層。低損耗平面超透鏡的制作方法，步驟1.在平整的紫外透明基底上利用真空熱蒸鍍的辦法蒸鍍上厚度為Wg的增益層；步驟2.在步驟1得到的增益層的基礎(chǔ)上，利用電子束蒸鍍的辦法鍍上厚度為Wm的金屬層；步驟3.在步驟2得到的平面膜的上面交替鍍上周期性的增益層和金屬層多層膜；步驟4.最后在表面上再鍍上厚度為Wg的增益層作為保護(hù)層。這種超透鏡的分辨率很高，重量很輕和厚度很薄，并且由于是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，很容易集成和利用。
【專利說明】一種低損耗平面超透鏡及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)透鏡及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用領(lǐng)域:需要用到高分辨率，超輕，超薄的平面透鏡的領(lǐng)域，尤其是低損耗的平面超透鏡的設(shè)計(jì)方面。
[0003]傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡一存在衍射極限，沒有辦法觀察到波長二分之一以下的細(xì)節(jié)，而且需要用到非常復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，儀器整體體積很大，重量很重。
[0004]近場(chǎng)掃描顯微鏡一雖然突破了衍射極限，但是由于其采用了近場(chǎng)單點(diǎn)掃描的方式，測(cè)量速度非常的慢，而且儀器價(jià)格非常的昂貴，比較重，另外顯微鏡臺(tái)的尺寸也非常不適合便攜攜帶。
[0005]普通的基于超材料的超透鏡一通過收集近場(chǎng)光線來成像，能突破衍射極限，理論上分辨率可以達(dá)到無限小，而且超透鏡是很輕、很薄的平面結(jié)構(gòu)，攜帶方便。但是由于制備過程中使用的金屬材料損耗的存在，嚴(yán)重的影響超透鏡的分辨能力，使得目前為止最好的分辨率只達(dá)到波長的六分之一，繼續(xù)降低超材料的分辨率需要解決損耗的問題。
[0006]一直困擾現(xiàn)在的光學(xué)系統(tǒng)。如果能夠突破這個(gè)極限，光學(xué)系統(tǒng)可能具有巨大的潛力，也將在改進(jìn)聚焦成像、生物傳感、光存儲(chǔ)及光刻技術(shù)等方面都有應(yīng)用。比如，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由于受到衍射極限的限制，使得分辨率最高能夠達(dá)到200納米左右，隨著生物研究的不斷發(fā)展和電子電路集成度的不斷提高，對(duì)更高分辨率的成像技術(shù)提出了迫切的要求，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的衍射極限已經(jīng)成為了制約納米微加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，相同的情況還出現(xiàn)在生物分子探測(cè)以及微納結(jié)構(gòu)成像方面，所以改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力成為了光學(xué)的一個(gè)研究重點(diǎn)。然而在實(shí)際的情況下，有的技術(shù)比如近場(chǎng)掃描顯微鏡等雖然突破了衍射極限，但是由于其采用了近場(chǎng)單點(diǎn)掃描的方式，測(cè)量速度非常的慢，而且儀器價(jià)格非常的昂貴，比較重，另外顯微鏡臺(tái)的尺寸也非常不適合便攜攜帶，這對(duì)為實(shí)際的大規(guī)模應(yīng)用來說是非常困難的。
[0007]在光學(xué)成像領(lǐng)域中一直存在一個(gè)基本的障礙，即衍射極限。為了獲得更清晰的成像，人們一直在不斷的探索各種可能的解決辦法。早在半個(gè)世紀(jì)前，前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago在提出負(fù)折射率材料的概念時(shí)曾預(yù)言，利用折射率n=_l的負(fù)折射率平板材料能實(shí)現(xiàn)亞波長分辨率的成像。2000年，Pendry從理論上指出，采用負(fù)折射率材料之所以能夠突破衍射極限，設(shè)計(jì)出超透鏡，是因?yàn)樨?fù)折射率材料能夠放大倏逝波，當(dāng)倏逝波入射到位于物體近場(chǎng)區(qū)與負(fù)折射率材料的表面時(shí)，它的振幅會(huì)被放大，直到在通過負(fù)折射率材料之后，倏逝波的振幅會(huì)再次發(fā)生指數(shù)衰減，并在成像面上恢復(fù)到物點(diǎn)位置時(shí)倏逝波的振幅，而行波分量則會(huì)在負(fù)折射率材料中傳播、聚焦。倏逝波和行波在成像面上形成完美的、沒有精細(xì)信息缺失的像。2003年，人們首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到倏逝波在通過銀薄膜時(shí)振幅呈指數(shù)放大的現(xiàn)象，接下來的一系列實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了 Pendry提出的超透鏡成像理論。2005年，Zhang研究小組利用介電常數(shù)為負(fù)的納米尺度的銀薄膜成功地實(shí)現(xiàn)了 365納米的超分辨率成像，分辨率為λ /6。根據(jù)類似的原理，隨后人們借助碳化硅材料在中紅外波段介電常數(shù)為負(fù)而且低損耗的特性，制備出具有更高分辨率的超透鏡，分辨率達(dá)1/20。雖然從理論上來說，平面超透鏡成像的分辨極限是可以無窮小的，然而由于所用的金屬材料本身存在著吸收損耗，所以目前為止在實(shí)驗(yàn)上能獲得的最小的分辨率仍然在1/20以內(nèi)。進(jìn)一步降低平面超透鏡的分辨率極限必須從設(shè)計(jì)上進(jìn)行更新，特別是對(duì)于可見光波段來說。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了同時(shí)達(dá)到高分辨率、重量較輕和平面結(jié)構(gòu)的目的，針對(duì)由于金屬損耗的存在從而約束了平面超透鏡的分辨率的問題，本發(fā)明提供了一種低損耗平面超透鏡，平面超透鏡是由交替出現(xiàn)的深色和淺色的多層膜組成，層數(shù)在20層到30層之間，深色部分是增益層，淺色部分是金屬材料層，增益層材料厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm ;最頂層為金屬層，最底層為增益層。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬材料層為銀層。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，增益層為有機(jī)發(fā)光材料層。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，有機(jī)發(fā)光材料層為若丹明加Alq3的復(fù)合材料層。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，增益層材料厚度Wg和金屬層厚度Wm的單位為nm，數(shù)值取值范圍為10至50。
[0013]一種低損耗平面超透鏡的制作方法，包括如下步驟:
[0014]步驟1.在平整的紫外透明基底上利用真空熱蒸鍍的辦法蒸鍍上厚度為Wg的增益層；
[0015]步驟2.在步驟I得到的增益層的基礎(chǔ)上，利用電子束蒸鍍的辦法鍍上厚度為Wm的金屬層；
[0016]步驟3.在步驟2得到的平面膜的上面交替鍍上周期性的增益層和金屬層多層膜，增益層厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm ；
[0017]步驟4.最后在表面上再鍍上厚度為Wg的增益層作為保護(hù)層。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟I的增益層為有機(jī)發(fā)光材料層。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，有機(jī)發(fā)光材料層為若丹明加Alq3的復(fù)合材料。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟2中的金屬層為銀層。
[0021]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，增益層材料厚度Wg和金屬層厚度Wm的單位為nm，數(shù)值取值范圍為10至50。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023]分辨率高，該結(jié)構(gòu)能夠保證在可見光波段，超透鏡的分辨率在波長的1/20以下。
[0024]工作波長可調(diào)，對(duì)比于以前的利用單層金屬膜制備出來的超透鏡，這個(gè)超透鏡的工作波長可以通過調(diào)節(jié)金屬、增益介質(zhì)的厚度和折射率來實(shí)現(xiàn)可調(diào)。
[0025]超高分辨率、超輕、超薄的平面結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡，這種超透鏡的分辨率很高，重量很輕和厚度很薄，并且由于是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，很容易集成和利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖2是本發(fā)明工作方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0029]為了同時(shí)達(dá)到高分辨率、重量較輕和平面結(jié)構(gòu)的目的，針對(duì)由于金屬損耗的存在從而約束了平面超透鏡的分辨率的問題，本發(fā)明提出了一種低損耗的平面超透鏡的新設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中，利用發(fā)光的增益材料比如染料和量子點(diǎn)等對(duì)平面超透鏡中的金屬損耗進(jìn)行補(bǔ)償。利用增益介質(zhì)補(bǔ)償超材料體系包括等離子體材料、負(fù)折射率材料和超磁材料等的金屬損耗已經(jīng)在理論上開展了很多的研究，展示了在改善超材料性能上的巨大潛力，給超材料領(lǐng)域的研究帶來了新的活力。目前為止作為損耗補(bǔ)償?shù)牟牧习ㄈ玖虾土孔狱c(diǎn)等，利用增益介質(zhì)來降低平面超透鏡中的損耗雖然從理論和模擬上來說是非常有效的，然而增益介質(zhì)的選擇和增益介質(zhì)所處的位置是非常重要，需要對(duì)其使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。因此本發(fā)明提出了以下的設(shè)計(jì):
[0030]該結(jié)構(gòu)中，整個(gè)平面超透鏡是由交替出現(xiàn)的深色和淺色的多層膜組成，層數(shù)的多少會(huì)決定整個(gè)超透鏡的透過率，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行選擇(在20層到30層之間)。深色部分是增益材料，如染料和量子點(diǎn)等，淺色部分是金屬材料，通過調(diào)節(jié)金屬和增益介質(zhì)的厚度Wg和Wm和增益介質(zhì)的折射率n，使得超透鏡工作在目標(biāo)的波長。
[0031]該設(shè)計(jì)的制備步驟如下:
[0032]1.在平整的紫外透明基底上利用真空熱蒸鍍的辦法蒸鍍上厚度為Wg的增益層，如有機(jī)發(fā)光材料(比如若丹明加Alq3的復(fù)合材料)。Alq3:三(8_羥基喹啉)鋁。
[0033]2.在步驟I得到的膜的基礎(chǔ)上，利用電子束蒸鍍的辦法鍍上厚度為Wm的金屬銀膜，采用電子束蒸鍍的辦法是為了得到損耗最小、表面最平整的銀膜。
[0034]3.在步驟2得到的平面膜的上面交替鍍上周期性的增益層(厚度都為Wg)和金屬層(厚度都為Wm)多層膜。
[0035]4.最后在表面上再鍍上厚度為Wg的增益層作為保護(hù)層，防止銀在空氣中氧化。從而得到工作在可見光波段的低損耗的平面超透鏡。
[0036]具體隔層厚度的選擇可舉例如下:當(dāng)ffg=40nm, Wm=30nm和n=l.62的時(shí)候,超透鏡的工作波長是在620nm附近，這時(shí)候可以選擇若丹明系列染料作為增益介質(zhì)。該透鏡的工作方式如圖所示，一束外來的激光激活增益介質(zhì)，在增益介質(zhì)分子內(nèi)部形成了粒子束反轉(zhuǎn)，從而放大了垂直入射的工作光束。
[0037]該結(jié)構(gòu)有的優(yōu)勢(shì)如下:
[0038]1.通過設(shè)計(jì)金屬和增益介質(zhì)的厚度和折射率，能夠使得超透鏡的工作波長出現(xiàn)可調(diào)性，這與傳統(tǒng)的單層金屬膜組成的超透鏡只有唯一的工作波長不同。
[0039]2.利用增益介質(zhì)能夠提高超透鏡的分辨能力，而且結(jié)構(gòu)又是平面結(jié)構(gòu)，膜的總厚度僅有幾百個(gè)納米，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率、超輕、超薄的平面超透鏡。
[0040]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種低損耗平面超透鏡，其特征在于:平面超透鏡是由交替出現(xiàn)的深色和淺色的多層膜組成，層數(shù)在20層到30層之間，深色部分是增益層，淺色部分是金屬材料層，增益層材料厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm ;最頂層為金屬層，最底層為增益層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低損耗平面超透鏡，其特征在于:金屬材料層為銀層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低損耗平面超透鏡，其特征在于:增益層為有機(jī)發(fā)光材料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低損耗平面超透鏡，其特征在于:有機(jī)發(fā)光材料層為若丹明加Alq3的復(fù)合材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低損耗平面超透鏡，其特征在于:增益層材料厚度Wg和金屬層厚度Wm的單位為nm，數(shù)值取值范圍為10至50。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的一種低損耗平面超透鏡的制作方法，其特征在于: 步驟1.在平整的紫外透明基底上利用真空熱蒸鍍的辦法蒸鍍上厚度為Wg的增益層； 步驟2.在步驟I得到的增益層的基礎(chǔ)上，利用電子束蒸鍍的辦法鍍上厚度為Wm的金屬層； 步驟3.在步驟2得到的平面膜的上面交替鍍上周期性的增益層和金屬層多層膜，增益層厚度都為Wg，金屬層厚度都為Wm ； 步驟4.最后在表面上再鍍上厚度為Wg的增益層作為保護(hù)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低損耗平面超透鏡的制作方法，其特征在于:步驟I的增益層為有機(jī)發(fā)光材料層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種低損耗平面超透鏡的制作方法，其特征在于:有機(jī)發(fā)光材料層為若丹明加Alq3的復(fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低損耗平面超透鏡的制作方法，其特征在于:步驟2中的金屬層為銀層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低損耗平面超透鏡的制作方法，其特征在于:增益層材料厚度Wg和金屬層厚度Wm的單位為nm，數(shù)值取值范圍為10至50。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK103592703SQ201310574700
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】肖淑敏, 宋清海, 孫上 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院