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基于SP的亚波长结构透镜的设计与表征方法研究

邓永强  
【摘要】:随着纳米科学和微纳加工技术的快速发展,纳米光学以本身具备的特殊光学性质在诸多研究领域发挥着越来越重要的作用。在纳米尺度探索光学世界引发了人们越来越浓厚的兴趣,这也要求人们可以在亚波长尺度对可见光进行操控。为了实现这一目的,将光学透镜的尺度缩小到微米甚至亚微米范围是很有必要的。但是,由于衍射极限的存在,限制了进一步地缩小器件尺寸。表面等离子体(Surface Plasmon,SP)器件为突破衍射极限提供可能性。基于表面等离子体的透镜引起了人们在纳米光学器件研究领域的兴趣,表面等离子体透镜可以获得亚波长大小的聚焦焦斑。基于表面等离子体的亚波长结构透镜可以被广泛的用于微纳米加工、纳米光子集成电路和磁存储方面。在本论文中,我们提出并在实验上证明了一种表面等离子体透镜,该透镜由不同厚度的SiO2填充在狭缝中构成。我们使用扫描近场光学显微镜对所加工的透镜进行了测试表征,扫描近场光学显微镜可提供100nm大小的分辨率,在距离样品表面不同的高度上我们观测到了两个聚焦焦斑。论文的主要研究内容如下:表面等离子体亚波长结构透镜的设计与优化。分析表面等离子体的存在条件和基本电磁特性,从表面等离子体在金属-介质-金属亚波长波导结构中的传播物理特性出发,得到亚波长波导中的介电常数与表面等离子体的传输性质的内在联系。并以此为基础设计了一种基于表面等离子体的亚波长结构透镜,透镜由多条等宽的狭缝构成,在狭缝中填充了不同厚度的SiO2介质,SiO2被用于调控表面等离子体的相位。利用有限元分析方法对设计的透镜进行了建模分析和结构优化。表面等离子体亚波长结构透镜的表征方法研究。为表征等离子体透镜的聚焦效果,首先基于简单的双缝实验基础,对设计原理的可行性进行了验证。加工完成了实验组和对比组的样品,利用近场光学扫描显微镜的Two-Pass检测方法,完成了对透镜的2μm和5μm位置处的聚焦效果的表征。结合仿真计算结果,分析了该表征方法中产生误差的几种原因。


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