基于相位變化的動(dòng)態(tài)可調(diào)焦表面等離子體聚焦透鏡的設(shè)計(jì).pdf

1、表面等離子體激元是金屬表面區(qū)域的自由電子與照射的光子之間相互作用而產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，這種電磁模式被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)，同時(shí)得到增強(qiáng)，具有突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限的優(yōu)良性能，在超分辨成像、光電回路的集成、生物醫(yī)學(xué)傳感以及光學(xué)存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。特別是基于表面等離子體共振的平面透鏡微納光學(xué)結(jié)構(gòu)不僅具有出色的超強(qiáng)光透射現(xiàn)象，又能在某一入射波長(zhǎng)范圍內(nèi)使透射光于遠(yuǎn)場(chǎng)形成很強(qiáng)的匯聚現(xiàn)象，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。迄今為止已經(jīng)有很多類(lèi)型的平

2、面透鏡結(jié)構(gòu)被提出來(lái)，比如納米狹縫或者納米孔陣列結(jié)構(gòu)、波帶片結(jié)構(gòu)和光子晶體結(jié)構(gòu)等。雖然這些光學(xué)方案有著不一樣的結(jié)構(gòu)組成，但其聚焦原理都基本一致，即通過(guò)透射光波在出射面形成特殊的相位分布，從而在特定的位置產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉形成焦點(diǎn)。
　　通過(guò)不斷的優(yōu)化改進(jìn)，各種平面透鏡結(jié)構(gòu)的性能也越來(lái)越優(yōu)越。然而絕大部分的平面透鏡結(jié)構(gòu)由于一旦被加工制造出來(lái)以后，其各項(xiàng)參數(shù)便固定住了不可改變，因此缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焦距的能力。而對(duì)焦距位置的控制能力在光電回路以及光

3、子器件的集成等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)檫@將影響到光學(xué)響應(yīng)的微調(diào)性能和光路切換的效果。因此也有著一些光學(xué)方案試圖使其提出的平面透鏡具有這種焦距調(diào)節(jié)能力，比如通過(guò)改變?nèi)肷涔獾娜肷浣莵?lái)使等離子透鏡的焦距產(chǎn)生變化，或者利用各向異性的液晶材料修飾透鏡使焦距位置改變等。雖然這些方法也能夠使得透鏡的焦點(diǎn)位置發(fā)生變化并使得焦斑在納米尺度內(nèi)，但他們只能?chē)?yán)格控制入射光束或者利用復(fù)雜的光學(xué)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不夠簡(jiǎn)便也不易操控。
　　本文提出了一種基于

4、相位變化的動(dòng)態(tài)可調(diào)焦表面等離子體聚焦透鏡的設(shè)計(jì)，利用填充進(jìn)透鏡的離子液體的高度變化來(lái)改變透射光于出射面的相位分布。得益于現(xiàn)已比較成熟的微流體技術(shù)，改變離子液體的高度相比其他的方法要簡(jiǎn)單方便很多，從而方便、精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)亞波長(zhǎng)表面等離子體透鏡焦點(diǎn)位置的控制。我們前后分別提出了銀單縫表面等離子體透鏡結(jié)構(gòu)和金雙縫表面等離子體透鏡結(jié)構(gòu)。當(dāng)入射波長(zhǎng)為532nm的TM平面波垂直照射該透鏡，光波在通過(guò)狹縫時(shí)，在金屬與空氣表面產(chǎn)生表面等離子體激元，表面等

5、離子波沿金屬表面?zhèn)鞑?，?jīng)過(guò)上方離子液體的調(diào)制后，在遠(yuǎn)場(chǎng)形成匯聚圖樣。對(duì)于銀單縫透鏡結(jié)構(gòu)，焦距調(diào)節(jié)的范圍約有0.42μm，且其調(diào)節(jié)幅度相對(duì)較小，所以適用于焦距的微調(diào)場(chǎng)合；而對(duì)于金雙縫透鏡結(jié)構(gòu)，焦距調(diào)節(jié)的范圍達(dá)2.6μm是入射波長(zhǎng)的4.89倍，且調(diào)節(jié)幅度相對(duì)較大，故而適合于大范圍的焦距調(diào)節(jié)情形。與此同時(shí)，我們利用基于有限元法的仿真軟件對(duì)這兩個(gè)表面等離子體透鏡結(jié)構(gòu)做了模擬仿真，仿真結(jié)果與原理推導(dǎo)和理論計(jì)算的結(jié)果較為一致，表明我們?cè)O(shè)計(jì)的這兩種亞