基于表面等離子體的超表面透鏡原理及制備技術(shù)研究.pdf

1、隨著光學儀器技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應用，傳統(tǒng)光學鏡頭已成為制約光學儀器向微型化、集成化、陣列化、輕量化發(fā)展的技術(shù)瓶頸。如何從原理入手，深入研究能夠突破衍射極限，實現(xiàn)微納尺度上的光信息傳輸與處理，及相關(guān)的微納光學器件制備技術(shù)，對于光學儀器的微型化、集成化發(fā)展具有十分重大的科學和現(xiàn)實意義。
　　論文在國家973計劃和國家自然科學基金等項目的資助下，對基于表面等離子體的超表面聚焦透鏡原理及制備技術(shù)進行了較為深入的研究。針對傳統(tǒng)矢量偏振光束

2、聚焦系統(tǒng)存在體積龐大、笨重的缺陷和透射式等離子體超表面器件調(diào)控效率不高及其加工成本高、效率低等問題，開展相關(guān)研究，完成的主要工作如下：
　　(1)首先綜合分析緊聚焦的矢量偏振光場所具有的獨特性質(zhì)和廣闊的應用前景，同時對利用結(jié)構(gòu)變化的金屬弧形天線和表面等離子體局域共振調(diào)制交叉線偏振光，及其相位特性的原理進行較為深入的研究。提出一種矢量偏振聚焦透鏡設計原理，并設計出超薄的徑向和角向偏振超表面透鏡。透鏡在角向和徑向偏振光入射時分別得到緊

3、聚焦點和環(huán)形焦斑，而且在300THz-400THz范圍具有寬帶的頻率響應。通過引入切趾因子，得到超越衍射極限的焦斑(0.47λ)。與傳統(tǒng)透鏡相比，超表面透鏡厚度超薄(λ/20)，無像差，易于集成和實現(xiàn)超分辨聚焦。
　　(2)提出一種新型的、直接轉(zhuǎn)化聚焦的徑向偏振透鏡設計原理，設計出在圓偏振光入射時可同時產(chǎn)生并聚焦徑向偏振光的超表面透鏡。通過變化金-硅光柵的周期和占空比調(diào)制 TM(Transverse Magnetic)偏振光相位的

4、同時，提高TM偏振的透過率及偏振消光比，然后通過分區(qū)域方式對偏振和相位進行局部控制，實現(xiàn)產(chǎn)生并聚焦徑向偏振光。這種超表面透鏡具有數(shù)值孔徑大和易于集成的特點，而且無需通過液晶偏振轉(zhuǎn)換器或空間光調(diào)制器來產(chǎn)生徑向偏振光源和額外準直系統(tǒng)來保持徑向偏振光的中心與透鏡的中心對齊，大大簡化了傳統(tǒng)徑向偏振聚焦所需的輔助系統(tǒng)。
　　(3)針對太赫茲波段缺乏有效的波前調(diào)控器件的問題，提出一種金屬-介質(zhì)-金屬-介質(zhì)-金屬的多層單元結(jié)構(gòu)，并分析其內(nèi)在的電

5、磁諧振和耦合機理，實現(xiàn)高效率的偏振轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控。基于Pancharatnam-Berry(PB)相位原理，采用離散相位方法設計和排布陣列天線，實現(xiàn)高效率、大角度的異常折射和大數(shù)值孔徑、高效率的太赫茲平板超表面透鏡。該透鏡具有很好的聚焦性能和較薄的厚度(λ/5)，可應用于微型化、集成化的太赫茲成像、探測等光學系統(tǒng)中，同時為設計其它類型和其它波段的光學器件提供理論依據(jù)。
　　(4)針對超表面波前調(diào)控器件加工成本高、效率低的問題，提出

6、一種低成本、高效率的制備超表面器件的方法，即反射式表面等離子體成像光刻，克服了超表面器件或透鏡加工成本高、效率低的問題。利用反射式的等離子Ag層放大和補償倏逝波，進而解決傳統(tǒng)近場光學光刻中保真度差，對比度低，曝光深度淺等問題。通過優(yōu)化曝光、顯影、刻蝕工藝，制備出各向異性陣列的納米孔超表面透鏡。
　　(5)搭建光學測試系統(tǒng)，在可見光頻率實驗驗證了超表面透鏡聚焦性能，得到的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。提出的等離子體成像光刻方法利用了傳統(tǒng)I