基于表面等離子體的V形天線的設計與研究.pdf

1、傳統(tǒng)透鏡是通過在彎曲表面產(chǎn)生連續(xù)的光折射來實現(xiàn)光束整形的。而伴隨著集成光學的快速發(fā)展，傳統(tǒng)透鏡由于其體積，性能等各方面因素的制約，使其在微納光學系統(tǒng)中的應用遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。金屬納米天線結構能夠將自由光波耦合產(chǎn)生表面等離子體激元(SPPs)，通過控制SPPs便能夠調整入射光的波前形狀，進而在一個很薄的平面區(qū)域內實現(xiàn)對光場的全方位調控。有效防止了光學畸變，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)納米天線結構中的一種。

2、其憑借超薄、雙共振效應、全相位調控、無畸變等諸多優(yōu)異特性，成為用來設計超薄平面聚焦透鏡的良好選擇。
　　本文首先基于 V形納米天線設計出了一個可實現(xiàn)光束聚焦的超薄平面透鏡。接著，針對該透鏡在聚焦性能上所存在的不足提出了相關改進方法。最后，基于超振蕩原理對該平面聚焦透鏡進行調制，使其在遠場實現(xiàn)了超分辨聚焦，并完成了相關實驗制備與光學測試。本論文具體研究內容及相關成果如下：
　　1.開展V形納米天線結構光學特性研究。一方面，分析

3、了該天線的共振模式，并利用時域有限元差分法（FDTD）計算出了散射光在通過 V形納米天線時所產(chǎn)生的相位分布與振幅響應。另一方面，介紹了一些利用V形納米天線陣列設計平面聚焦透鏡的方法，并利用這些方法設計出了多種不同焦距、不同排列方式以及不同用途的超薄平面聚焦透鏡。經(jīng)過仿真計算可得，這些基于V形納米天線陣列所設計的平面透鏡結構均可實現(xiàn)高效聚焦。
　　2.開展基于 V形納米天線陣列所設計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-金屬(MIM)的結構，這種結構由頂部的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組成。該設計通過對兩層金屬結構的間距及底部金屬薄膜厚度進行優(yōu)化，使原本在兩個金屬層表面單獨傳輸?shù)?SPs波在一定條件下產(chǎn)生了共振耦合增強，從而使MIM結構透鏡的聚焦光強比之前提升了約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中。通過計算不同折射

5、率介質下的聚焦效果對比分析后發(fā)現(xiàn)，這種簡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度。最后，本文還對基于 V形納米天線所設計的平面透鏡的一些自身聚焦特性進行了分析。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)的設計方法。即基于超振蕩原理，通過相位屏蔽的方法設計出了一種可實現(xiàn)遠場超分辨聚焦的透鏡結構。通過優(yōu)化設計得出，當對該透鏡的第8-

6、17圈V形納米天線附加一個相位?時，其可在34?m處實現(xiàn)0.89倍衍射極限的聚焦效果。為了對其超分辨聚焦效果進行驗證，本文還對制備 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）結合微細加工工藝制備出了該SOL結構。最后搭建光學檢測平臺完成光場分布測試。測試結果與仿真結果相差無幾，從而驗證了之前的設計方法及原理正確性。
　　以上工作將促進 V形納米天線在激光直寫、光學集成、超分辨成像、望遠、高密度集成等方面的