基于表面等離子體的V形天線的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、傳統(tǒng)透鏡是通過在彎曲表面產(chǎn)生連續(xù)的光折射來實(shí)現(xiàn)光束整形的。而伴隨著集成光學(xué)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)透鏡由于其體積，性能等各方面因素的制約，使其在微納光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。金屬納米天線結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒆杂晒獠詈袭a(chǎn)生表面等離子體激元(SPPs)，通過控制SPPs便能夠調(diào)整入射光的波前形狀，進(jìn)而在一個(gè)很薄的平面區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的全方位調(diào)控。有效防止了光學(xué)畸變，像散和慧差的產(chǎn)生。V形納米天線是眾多表面等離子體(SPs)納米天線結(jié)構(gòu)中的一種。

2、其憑借超薄、雙共振效應(yīng)、全相位調(diào)控、無畸變等諸多優(yōu)異特性，成為用來設(shè)計(jì)超薄平面聚焦透鏡的良好選擇。
　　本文首先基于 V形納米天線設(shè)計(jì)出了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)光束聚焦的超薄平面透鏡。接著，針對(duì)該透鏡在聚焦性能上所存在的不足提出了相關(guān)改進(jìn)方法。最后，基于超振蕩原理對(duì)該平面聚焦透鏡進(jìn)行調(diào)制，使其在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了超分辨聚焦，并完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)制備與光學(xué)測(cè)試。本論文具體研究?jī)?nèi)容及相關(guān)成果如下：
　　1.開展V形納米天線結(jié)構(gòu)光學(xué)特性研究。一方面，分析

3、了該天線的共振模式，并利用時(shí)域有限元差分法（FDTD）計(jì)算出了散射光在通過 V形納米天線時(shí)所產(chǎn)生的相位分布與振幅響應(yīng)。另一方面，介紹了一些利用V形納米天線陣列設(shè)計(jì)平面聚焦透鏡的方法，并利用這些方法設(shè)計(jì)出了多種不同焦距、不同排列方式以及不同用途的超薄平面聚焦透鏡。經(jīng)過仿真計(jì)算可得，這些基于V形納米天線陣列所設(shè)計(jì)的平面透鏡結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)高效聚焦。
　　2.開展基于 V形納米天線陣列所設(shè)計(jì)的平面透鏡的聚焦性能研究。為了提升SPs平面透鏡的

4、聚焦性能，本文提出了一種金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由頂部的V形納米天線陣列，底部的金薄膜和位于兩者之間的硅介質(zhì)組成。該設(shè)計(jì)通過對(duì)兩層金屬結(jié)構(gòu)的間距及底部金屬薄膜厚度進(jìn)行優(yōu)化，使原本在兩個(gè)金屬層表面單獨(dú)傳輸?shù)?SPs波在一定條件下產(chǎn)生了共振耦合增強(qiáng)，從而使MIM結(jié)構(gòu)透鏡的聚焦光強(qiáng)比之前提升了約1.5倍。除此之外，本文還提出了一種可有效提高平面聚焦透鏡分辨力的方式，即將平面聚焦透鏡浸入折射率大于空氣的介質(zhì)中。通過計(jì)算不同折射

5、率介質(zhì)下的聚焦效果對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，這種簡(jiǎn)單且可行性大的油浸方式不僅可以顯著提高該聚焦透鏡的分辨率，而且還可以增加其焦距長(zhǎng)度。最后，本文還對(duì)基于 V形納米天線所設(shè)計(jì)的平面透鏡的一些自身聚焦特性進(jìn)行了分析。這些特性包括寬波段聚焦特性和斜聚焦特性。
　　3.提出了一種基于 V形納米天線陣列的超振蕩透鏡(SOL)的設(shè)計(jì)方法。即基于超振蕩原理，通過相位屏蔽的方法設(shè)計(jì)出了一種可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦的透鏡結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得出，當(dāng)對(duì)該透鏡的第8-

6、17圈V形納米天線附加一個(gè)相位?時(shí)，其可在34?m處實(shí)現(xiàn)0.89倍衍射極限的聚焦效果。為了對(duì)其超分辨聚焦效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文還對(duì)制備 V形納米天線陣列的工藝方法開展探索與研究，并利用聚焦電子束（EBL）結(jié)合微細(xì)加工工藝制備出了該SOL結(jié)構(gòu)。最后搭建光學(xué)檢測(cè)平臺(tái)完成光場(chǎng)分布測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相差無幾，從而驗(yàn)證了之前的設(shè)計(jì)方法及原理正確性。
　　以上工作將促進(jìn) V形納米天線在激光直寫、光學(xué)集成、超分辨成像、望遠(yuǎn)、高密度集成等方面的