專利名稱：一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子學(xué)領(lǐng)域的一種光準(zhǔn)直器，更詳而言，是一種利用金屬介質(zhì)交替膜與金屬表面光柵的復(fù)合結(jié)構(gòu)所激發(fā)的表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons)減小入射高斯光束的發(fā)散角以獲得接近平面光形式傳播的出射光束的薄膜型光準(zhǔn)直器。
背景技術(shù)：
光準(zhǔn)直器的功能在于將遠場發(fā)散角較大的光束變?yōu)榘l(fā)散角較小的光束,使之接近平面光，在光纖技術(shù)、激光技術(shù)、光電檢測、發(fā)光二極管照明、光學(xué)成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，公知的光準(zhǔn)直器件由透鏡組或非球面光學(xué)元件等傳統(tǒng)組件構(gòu)成。例如，現(xiàn)已公開的美國專利 US4995709 (optical collimator)、US7580192 (Collimation lens systemfor led)和中國專利CN102081233A (—種綠光準(zhǔn)直、擴束光學(xué)系統(tǒng))、CN101363922A( —種實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法及光學(xué)器件)，這些裝置體積較大，集成性較差。針對上述問題，學(xué)者們提出使用微納光子器件對光束進行準(zhǔn)直，以提高器件的集成性。參見圖1所示，圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于表面等離子激元的光準(zhǔn)直原理示意圖，該光準(zhǔn)直原理由法國學(xué)者H.J.Lezec^PT.ff.Ebbesen于2002年提出，參見美國專利US7057151(Optical transmission apparatus with directionality and divergence control)和文獻Science，vol.297，p820_822，2002。具體地，首先在厚度為亞波長量級的金屬薄膜刻蝕一個導(dǎo)通光的通孔(或狹縫)，再在該通孔(或狹縫)出射端口周圍的金屬膜表面刻蝕光柵，該結(jié)構(gòu)改善了從通孔出射的光束的發(fā)散角。該器件的工作原理是:金屬與介質(zhì)界面上存在一種由于電子疏密分布引起的電磁振蕩模式，稱為表面等離子激元；當(dāng)光照射到金屬薄膜的入射面上后通過激發(fā)表面等離子激元將入射光耦合進入通孔，光通過通孔傳播到達出射面，出射面上所刻的表面光柵將再次激發(fā)表面等離子激元；當(dāng)光柵激發(fā)的表面波與從通孔出射的表面波相互作用滿足波失匹配條件時，即可以獲得向遠場輻射的發(fā)散角很小的準(zhǔn)直光束。波失匹配公式如下:
ksp- k0 sin Θ 土 m*2π/p(I)
其中，是所激發(fā)的表面波的波矢，&是真空波矢，P是光柵周期，《是正整數(shù)。〃代表出射光方向與法線的夾角，當(dāng)垂直出射時，〃 =O。還有一種獲得準(zhǔn)直光的光準(zhǔn)直器，參見圖2所示，圖2為2004年美國H.K.Kim等人提出的使用厚度不均勻的金屬薄膜上刻蝕金屬通孔陣列以獲得光準(zhǔn)直效果的原理示意圖(美國專利US 20050161589)。2009年，中國Y.Zhang等人將金屬通孔陣列和表面光柵結(jié)合起來，也獲得了定向傳播的出射光束(文獻J.Appl.Phys., vol.105，pll3124,2009)。上述所有實現(xiàn)光準(zhǔn)直效果的薄膜型表面等離子激元器件均需要在金屬薄膜上刻蝕至少一個通孔(圖1 )，有的器件則需要更多(圖2)。由于金屬通孔的尺度(直徑)遠小于波長，而金屬薄膜的厚度通常都在100 nm以上，在實際中制作這類結(jié)構(gòu)相對困難，需要用到十分昂貴且加工效率低的大型設(shè)備(如聚焦離子束系統(tǒng))。另外，金屬通孔的尺度決定了其具有很低的光透過效率，需要在金屬薄膜的入射面上同時刻蝕有表面光柵，才能將足夠多的入射光耦合進入通孔，從而獲得效率可觀的透射光，然而這勢必提高了器件加工的成本。2010年,美國P.Chen等人還通過修飾金屬薄膜的出射面提高了出射效率，即除了在出射端面上刻蝕表面光柵外，又在孔徑出射口附近引入一個諧振腔，最終提高了準(zhǔn)直光的出射強度(文獻IEEE Photonics Journal, vol.2，P8-17, 2010)。但是，這一器件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要使用套刻等制作工藝方可獲得。此外，從金屬通孔發(fā)出的表面波與從出射光柵發(fā)出的表面波具有不同的分布和強度，為了使二者形成相長干涉以滿足波失匹配條件，需要精心調(diào)節(jié)出射面上距離通孔最近的光柵凹槽中心與通孔中心之間的間距(104)，這又帶來了設(shè)計成本的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的具體技術(shù)問題是:改進現(xiàn)有的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，避免使用制作成本較高的帶有通孔的金屬薄膜，用一種實驗中容易制作的結(jié)構(gòu)替代，同樣實現(xiàn)在特定波長下的光準(zhǔn)直效果，并提供一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器。解決上述問題，實現(xiàn)上述目的，通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn):
一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，含有襯底和金屬光柵；其所述襯底是一承載金屬光柵的玻璃襯底；所述金屬光柵是由金屬介質(zhì)交替膜與金屬表面光柵構(gòu)成；其中，所述金屬介質(zhì)交替膜是由在玻璃襯底上通過真空熱鍍膜技術(shù)或磁控濺射技術(shù)交替制作金屬薄膜與介質(zhì)薄膜獲得；所述金屬表面光柵是在金屬介質(zhì)交替膜上通過雙光束干涉曝光技術(shù)及剝離技術(shù)制作得?；谏鲜黾夹g(shù)方案，進一步的技術(shù)方案如下:
所述一承載金屬光柵的玻璃襯底的厚度是0.5// m。所述金屬薄膜是激發(fā)表面等離子激元的金、銀、銅和鋁中的一種。所述介質(zhì)薄膜是二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鑰、氧化鈦、氧化鋁和氟化鋰中的一種。所述金屬介質(zhì)交替膜中金屬薄膜與介質(zhì)薄膜的厚度比是1: 1.5 1:0.5。所述金屬介質(zhì)交替膜中金屬薄膜和介質(zhì)薄膜的單層膜厚是5 15 nm。所述金屬介質(zhì)交替膜中金屬薄膜與介質(zhì)薄膜的總層數(shù)是5 11層，其中頂層與底層均是金屬薄膜層。其所述玻璃襯底的入射光是具有高斯分布的TM偏振光，其工作波段是400 1000nm范圍內(nèi)的某個單一波長光，其束腰半徑是I 3//m。所述金屬表面光柵是淺光柵，其深度是30 40 nm，其周期為波長的0.8至0.9倍，其占空比是0.15 0.25，其覆蓋區(qū)域是入射高斯光束腰半徑的6倍及以上。實現(xiàn)本發(fā)明上述所提供的一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點與積極效果在于:
本發(fā)明首次利用金屬介質(zhì)交替膜將高斯光變?yōu)槠矫婀?，同時具有擴展光束寬度的能力；結(jié)構(gòu)緊 湊，體積小，器件總厚度為波長量級；基于制備工藝簡單且成本較低的金屬介質(zhì)交替膜支撐金屬表面光柵并導(dǎo)通光，避免了制作成本較高的帶通孔金屬膜；可集成制作于半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管、光纖或光纖激光器的端面，用于改善光束的發(fā)散角，獲得準(zhǔn)直光，對促進薄膜型光準(zhǔn)直系統(tǒng)的研究與應(yīng)用具有重要意義。


圖1是已有的一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是已有的另一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器對波長為595 nm，束腰半徑為1.5 μ m的高斯光束進行準(zhǔn)直前后的遠場歸一化場強分布對比圖。圖6是本發(fā)明波長為595 nm,束腰半徑為1.5 μ m的高斯光在有準(zhǔn)直器的情況下傳播到不同近場位置處的歸一化磁場強度分布圖。圖中:101:金屬表面光棚；102:帶通孔的金屬薄I旲；103:通孔；104:距尚通孔最近的光柵凹槽中心與通孔中心之間的間距；201:帶通孔陣列的金屬薄膜；301:金屬介質(zhì)交替膜；302:玻璃襯底；303:金屬表面光柵；304:金屬薄膜；305:介質(zhì)薄膜；501:高斯光束經(jīng)過本發(fā)明所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后所獲得出射光束的遠場歸一化場強分布圖；502:未經(jīng)過準(zhǔn)直的高斯光束的遠場歸一化場強分布圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施作出進一步的說明。
·
實施本發(fā)明所提供的一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對基于表面等離子激元的光準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)進行改進，其結(jié)構(gòu)圖參見圖1。
具體實施方式
的技術(shù)方案如下:
在金屬介質(zhì)交替膜301上續(xù)接金屬表面光柵303，通過調(diào)整金屬介質(zhì)交替膜301及金屬表面光柵303的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化出射光束的強度及遠場輻射性能，獲得強度優(yōu)化且接近平面波傳輸?shù)倪h場輻射光，實現(xiàn)對高斯光束的準(zhǔn)直。具體制作過程是:在一厚度極薄的、或者是0.5 μ m的薄璃襯底302上通過真空熱鍍膜技術(shù)或者是磁控濺射技術(shù)交替制作金屬薄膜304和介質(zhì)薄膜305，得到金屬介質(zhì)交替膜301，然后在金屬介質(zhì)交替膜301上通過雙光束干涉曝光技術(shù)及剝離技術(shù)制作金屬表面光柵303，即獲得一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器。所使用的金屬介質(zhì)交替膜301是人工特異材料的一種，其光學(xué)特性呈各向異性，各向異性介電常數(shù)由所構(gòu)成的金屬與介質(zhì)的介電常數(shù)及配比決定。本發(fā)明提出使用金屬介質(zhì)交替膜301續(xù)接金屬表面光柵303的復(fù)合結(jié)構(gòu)對高斯光束進行準(zhǔn)直，從功能上區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明中所使用金屬介質(zhì)交替膜301，在器件中所起到的具體功能包括:其一，作為所續(xù)接金屬表面光柵303的基底，呈現(xiàn)出金屬特性，保證了表面等離子激元的成功激發(fā)；其二，作為光傳輸媒介，呈現(xiàn)出介質(zhì)特性，允許大量光透過。如果采用厚度與金屬介質(zhì)交替膜301總厚度相同的介質(zhì)薄膜305，則金屬表面光柵303上下表面所激發(fā)的表面等離子激元互相耦合，使得入射光被局域在光柵周圍，無法向外輻射。如果使用厚度與金屬介質(zhì)交替膜301總厚度相同的金屬薄膜304，則入射光基本無法透過。所使用的金屬材料為可以激發(fā)表面等離子激元的金、銀、銅、鋁中的一種。所使用的介質(zhì)材料為二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鑰、氧化鈦、氧化鋁、氟化鋰中的一種。在金屬介質(zhì)交替膜301上所續(xù)接的金屬表面光柵303,其材質(zhì)與金屬介質(zhì)交替膜301中的金屬材質(zhì)相同，其排布方式是平行排布的一維溝槽陣列。所起到的作用仍然是通過金屬表面光柵303所激發(fā)的表面波相互作用以滿足波失匹配條件進而獲得發(fā)散角很小的準(zhǔn)直光束。該金屬表面光柵303呈均勻分布，無以往器件中的通孔103，在優(yōu)化過程中避免了對出射面上距離通孔最近的光柵凹槽中心與通孔中心之間的間距104的調(diào)節(jié)。所述入射光為具有高斯分布的TM偏振光，是工作在波段400 1000 nm范圍內(nèi)的某個單一波長(』0)的光，高斯光束的束腰半徑大小為I 3μπ 。高斯光從玻璃襯底射入器件，平面光從金屬表面光柵一側(cè)射出。所 述金屬介質(zhì)交替膜301的單層膜厚為5 15 nm,金屬薄膜304和介質(zhì)薄膜305的厚度比為1:1.5 1:0.5，金屬介質(zhì)交替膜301的總厚度為70 130 nm。其所述金屬介質(zhì)交膜301中金屬薄膜304與介質(zhì)薄膜305的層數(shù)一共為5 11層，其中頂層和底層均為金屬薄膜304。所述金屬表面光柵303為淺光柵，光柵的深度為30 40 nm。光柵周期為0.8 0.9 Jtl，光柵的占空比(一個周期內(nèi)金屬所占區(qū)域的寬度與光柵周期的比值)為0.15
0.25。其所述金屬表面光柵的覆蓋區(qū)域(即光柵個數(shù)乘以光柵周期的大小)是入射高斯光束腰半徑的6倍及以上。
下面進一步說明本發(fā)明的具體實施方式
。本發(fā)明基于表面等離子體技術(shù)，用金屬介質(zhì)交替膜301與金屬表面光柵303的復(fù)合結(jié)構(gòu)對高斯光束進行準(zhǔn)直，獲得接近平面光的出射光束。如圖3和圖4，描述本發(fā)明基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)圖。玻璃襯底302上是金屬薄膜304和介質(zhì)薄膜305交替的多層薄膜結(jié)構(gòu)。多層薄膜結(jié)構(gòu)中，金屬薄膜304和介質(zhì)薄膜305厚度具有一個合適的比例，且相同材料的薄膜厚度相等，頂層和底層均為金屬薄膜304。金屬介質(zhì)交替膜301之上是金屬表面光柵303。單色TM偏振的高斯光束從玻璃襯底302垂直照射到該薄膜型光準(zhǔn)直器上。實施例1
取高斯光源的波長為595 nm，金屬取為銀，介質(zhì)取為氧化鑰。經(jīng)過分析得到:
I)銀金屬薄膜304和氧化鑰介質(zhì)薄膜305比例為1: 1.5 1:0.5時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，銀金屬薄膜304和氧化鑰介質(zhì)薄膜305的比例為1:1.2時效果最佳，即透過率相對較高且旁瓣相對較弱。2)銀金屬薄膜304和氧化鑰介質(zhì)薄膜305的厚度為5 15 nm時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，銀金屬薄膜304和氧化鑰介質(zhì)薄膜305厚度分別為11 111]1和13.2 nm時效果最佳。3)金屬介質(zhì)交替膜301中銀金屬薄膜304與氧化鑰介質(zhì)薄膜305的總層數(shù)共為5 11層時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，金屬介質(zhì)交替膜301中銀金屬薄膜304與氧化鑰介質(zhì)薄膜305的總層數(shù)為7層時效果最佳。4)金屬表面光柵303的深度為30 40 nm時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，金屬表面光柵303的深度為30 nm時效果最佳。5)金屬表面光柵303的周期為0.8 0.9 ^0,高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，金屬表面光柵303周期為0.86時效果最佳。6)金屬表面光柵303的占空比為0.15 0.25時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，金屬表面光柵303的占空比為0.2時效果最佳。7)金屬表面光柵303的覆蓋區(qū)域(即光柵個數(shù)乘以光柵周期的大小)是入射高斯光束腰半徑的6倍及以上時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，金屬表面光柵303的覆蓋區(qū)域是高斯光束腰半徑的12倍時，旁瓣明顯被抑制，準(zhǔn)直效果比覆蓋區(qū)域相對較小時有明顯改善，繼續(xù)增大覆蓋區(qū)域，準(zhǔn)直效果不變。8)高斯光源的束腰半徑為I 3μπι時，高斯光通過該薄膜光整形器可以獲得準(zhǔn)直光；更進一步，對束腰半徑為1.5μπι的高斯光整形效果最佳。圖5是取最優(yōu)準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)參數(shù)所獲得的出射光與未經(jīng)準(zhǔn)直的高斯光(波長為595nm，束腰半徑為1.5μπι)的遠場歸一化場強分布的對比圖。所取結(jié)構(gòu)參數(shù)為:銀金屬薄膜304厚度為11 nm，氧化鑰介質(zhì)薄膜305的厚度為13.2 nm，總層數(shù)為7層；金屬表面光柵303周期為512 nm，深度為30 nm，占空比為0.2，個數(shù)為40?？梢钥吹?，經(jīng)過本發(fā)明的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器后的出射光束比未經(jīng)準(zhǔn)直的高斯光束的遠場發(fā)散角明顯變小。圖6是波長為595 nm,束腰半徑為1.5 μ m的高斯光在有準(zhǔn)直器(結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖5相同)的情況下傳播到不同近場位置處的 歸一化磁場強度分布圖?？梢钥吹剑肷涓咚构馐?jīng)過本發(fā)明的薄膜型光準(zhǔn)直器后，變?yōu)榻咏矫娌▊鬏數(shù)某錾涔馐?，且寬度明顯變寬。
權(quán)利要求
1.一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，含有襯底和金屬光柵；其所述襯底是一承載金屬光柵的玻璃襯底(302);所述金屬光柵是由金屬介質(zhì)交替膜(301)與金屬表面光柵(303)構(gòu)成；其中，所述金屬介質(zhì)交替膜(301)是由在玻璃襯底(302)上通過真空熱鍍膜技術(shù)或磁控濺射技術(shù)交替制作金屬薄膜(304)與介質(zhì)薄膜(305)獲得；所述金屬表面光柵(303)是在金屬介質(zhì)交替膜(301)上通過雙光束干涉曝光技術(shù)及剝離技術(shù)制作得。
2.如權(quán)利要求1所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述一承載金屬光柵的玻璃襯底(302)的厚度是0.5//m。
3.如權(quán)利要求1所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述金屬薄膜(304)是激發(fā)表面等離子激元的金、銀、銅和鋁中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述介質(zhì)薄膜(305)是二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鑰、氧化鈦、氧化鋁和氟化鋰中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述金屬介質(zhì)交替膜(301)中金屬薄膜(304)與介質(zhì)薄膜(305)的厚度比是1:1.5 1:0.5。
6.如權(quán)利要求1或4所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述金屬介質(zhì)交替膜(301)中金屬薄膜(304)和介質(zhì)薄膜(305)的單層膜厚是5 15 nm。
7.如權(quán)利要求1或4所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述金屬介質(zhì)交替膜(301)中金屬薄膜 (304)與介質(zhì)薄膜(305)的總層數(shù)是5 11層，其中頂層與底層均是金屬薄膜層。
8.如權(quán)利要求1或 4所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述玻璃襯底(302)的入射光是具有高斯分布的TM偏振光，其工作波段是400 1000nm范圍內(nèi)的某個單一波長光，其束腰半徑是I 3//m0
9.如權(quán)利要求1所述的基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器，其所述金屬表面光柵(303)是淺光柵，其深度是30 40nm，其周期為波長的0.8至0.9倍，其占空比是0.15 .0.25，其覆蓋區(qū)域是入射高斯光束腰半徑的6倍及以上。
全文摘要
一種基于表面等離子激元的薄膜型光準(zhǔn)直器是由襯底和金屬光柵構(gòu)成，所述襯底是一承載金屬光柵的玻璃襯底；所述金屬光柵是由在襯底上通過真空熱鍍膜技術(shù)或磁控濺射技術(shù)交替制作金屬薄膜與介質(zhì)薄膜獲得的金屬介質(zhì)交替膜與在金屬介質(zhì)交替膜上通過雙光束干涉曝光技術(shù)及剝離技術(shù)制作的金屬表面光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本結(jié)構(gòu)首次利用金屬介質(zhì)交替膜將高斯光變?yōu)槠矫婀?，同時具有擴展光束寬度的能力；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，器件總厚度為波長量級；基于制備工藝簡單且成本較低的金屬介質(zhì)交替膜支撐金屬表面光柵并導(dǎo)通光，避免了制作成本較高的帶通孔金屬膜；可集成制作于半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管、光纖或光纖激光器的端面，用于改善光束的發(fā)散角，獲得準(zhǔn)直光。
文檔編號G02B27/30GK103235417SQ201310141709
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者崔艷霞, 張收, 李國輝, 韓國華, 郝玉英, 張鋒, 何賽靈 申請人:太原理工大學(xué)