亚波长金属透镜结构的优化研究

2016-06-14张旋李铭涵代锁蕾霍晨亮郑州大学物理工程学院

科学中国人 2016年14期

张旋，李铭涵，代锁蕾，霍晨亮郑州大学物理工程学院

亚波长金属透镜结构的优化研究

张旋1，李铭涵2，代锁蕾3，霍晨亮4
郑州大学物理工程学院

摘要：随着纳米光学的兴起，为了适应集成光路的搭建，表面等离子体（Surface Plasmon,SP）器件受到了越来越多的关注，本文首先介绍了本章首先介绍了对称型金属透镜的结构，又根据透镜原理，设计了双面金属透镜结构，并用FDTD进行模拟仿真及优化，为以后金属透镜的设计以及理论分析提供了有力的实验证据。

关键词：表面等离子体；亚波长金属透镜；有限时域差分法

1　前言

近年来，随着集成光学的不断发展，我们对光波器件集成化、小型化的要求越来越高，纳米光学成为时代的主流。亚波长的环状金属小孔或槽状金属光栅等结构具有透射增强和光束聚焦效应，在高集成度纳光子器件、高密度光存储、纳米光刻等方面有着重要的应用前景。但由于目前微纳加工技术不成熟，对各器件的研究还处于理论阶段，只能通过模拟仿真实现，本文所介绍的亚波长金属透镜就是基于此理论的产物。

2　亚波长金属透镜结构

2.1对称型金属透镜的结构

传统对称型亚波长金属透镜结构如图1所示，其中心有一个狭缝，长度一般为几百纳米，两边是对称的凹槽结构，其深度和宽度都相同。

图1　对称型金属透镜结构示意图

假设TM光波由狭缝左端入射，通过狭缝将激发表面等离子体波，并在凹槽与狭缝之间耦合成自由空间传播的光波，耦合的自由空间波在传播过程中相干叠加，在光程差为波长的整数倍的位置形成焦点。

2.2非对称型金属透镜的结构

图2是非对称金属透镜示意图图中，狭缝宽度都为200nm，凹槽宽度也都为200nm，其中图2（a）所示为凹槽深度由狭缝向两边依次减小，令金属银膜厚度依次变厚20nm，图2中的后三种结构属于前三种的对称结构，即凹槽深度由狭缝向两边依次增加。

图2　不同深度调制的单面非对称金属透镜

（a）d=10nm（b）d=30nm（c）d=50nm（d）d=-10nm（e）d-=-30nm （f）d=-50nm

由仿真结果显示随着第一个凹槽处银膜厚度d的增加，焦斑强度逐渐减小，透镜的聚焦效率也逐渐降低，透射光强逐渐减小，并且第一个凹槽处银膜越厚，聚焦效果越差，而当d=10nm时，透射光强度最大，即由于反射而损失的光强度最小，有较优的透过率，其为试验中聚焦效果最好的单面镜。

3　亚波长金属透镜结构参数的优化与分析

上文中所有的金属透镜结构都可看做是半个透镜结构，即从凹槽形状看来类似半个透镜。因此，我又做了如下设计，由单面金属透镜变为双面金属透镜，具体结构如图3所示。

图3　基于凹槽深度调制的双面金属透镜

图3其实就是图2的原图加镜像，我们还沿用图2的标注，用d作为变量，其参数与上文相同。下面主要给出其仿真结果，其中，不同深度调制下的出射场Hy的分布曲线如图4所示，从图中可以看出，有三条曲线的顶点基本重合，这说明在一定范围内，凹槽深度的变化对双面结构的金属透镜影响不大，这也就给制造商提供了很大的容限和便捷，也就是说，我们不用对金属透镜的凹槽深度有很苛刻的要求。

图4　不同凹槽深度下的双面金属透镜的出射场Hy的强度分布曲线

图4只是给出了双面金属透镜在不同凹槽深度调制下的出射光场分布曲线，并不能看出与单面金属透镜的差别与优劣。为了更清楚的说明双面结构的聚焦效果比单面好，我们做出了如5图，其中实线代表双面金属透镜在不同深度下的最大光强走势图，虚线代表单面金属透镜在不同深度下的最大光强走势图，从图中可以明显看出，除了在d=-30nm～-50之间的双面聚焦效果略小于单面聚焦效果外，其余结果都要优于单面金属透镜的聚焦效果，并且在d=-10nm附近达到最高点，另外，d=20nm、d=30nm处的透射光强大于单面金属透镜的最佳透射光强，这说明，双面金属透镜将会有很大的发展空间和使用范围。