基于相位變化的動態(tài)可調(diào)焦表面等離子體聚焦透鏡的設計.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，這種電磁模式被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)，同時得到增強，具有突破傳統(tǒng)光學衍射極限的優(yōu)良性能，在超分辨成像、光電回路的集成、生物醫(yī)學傳感以及光學存儲等領域有著廣闊的應用前景。特別是基于表面等離子體共振的平面透鏡微納光學結(jié)構(gòu)不僅具有出色的超強光透射現(xiàn)象，又能在某一入射波長范圍內(nèi)使透射光于遠場形成很強的匯聚現(xiàn)象，因而受到了人們的廣泛關注。迄今為止已經(jīng)有很多類型的平

2、面透鏡結(jié)構(gòu)被提出來，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)生相長干涉形成焦點。
　　通過不斷的優(yōu)化改進，各種平面透鏡結(jié)構(gòu)的性能也越來越優(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以后，其各項參數(shù)便固定住了不可改變，因此缺乏動態(tài)調(diào)節(jié)焦距的能力。而對焦距位置的控制能力在光電回路以及光

3、子器件的集成等領域起著至關重要的作用，因為這將影響到光學響應的微調(diào)性能和光路切換的效果。因此也有著一些光學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，比如通過改變?nèi)肷涔獾娜肷浣莵硎沟入x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位置發(fā)生變化并使得焦斑在納米尺度內(nèi)，但他們只能嚴格控制入射光束或者利用復雜的光學控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，不夠簡便也不易操控。
　　本文提出了一種基于

4、相位變化的動態(tài)可調(diào)焦表面等離子體聚焦透鏡的設計，利用填充進透鏡的離子液體的高度變化來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，改變離子液體的高度相比其他的方法要簡單方便很多，從而方便、精確的實現(xiàn)對亞波長表面等離子體透鏡焦點位置的控制。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)。當入射波長為532nm的TM平面波垂直照射該透鏡，光波在通過狹縫時，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)過上方離子液體的調(diào)制后，在遠場形成匯聚圖樣。對于銀單縫透鏡結(jié)構(gòu)，焦距調(diào)節(jié)的范圍約有0.42μm，且其調(diào)節(jié)幅度相對較小，所以適用于焦距的微調(diào)場合；而對于金雙縫透鏡結(jié)構(gòu)，焦距調(diào)節(jié)的范圍達2.6μm是入射波長的4.89倍，且調(diào)節(jié)幅度相對較大，故而適合于大范圍的焦距調(diào)節(jié)情形。與此同時，我們利用基于有限元法的仿真軟件對這兩個表面等離子體透鏡結(jié)構(gòu)做了模擬仿真，仿真結(jié)果與原理推導和理論計算的結(jié)果較為一致，表明我們設計的這兩種亞