發(fā)布時間：2019-03-19 08:52

【摘要】：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(yīng)用遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。金屬納米天線結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒆杂晒獠�耦合產(chǎn)生表面等離子體激元(surface plasmon polaritons,SPPs),通過控制SPPs便能夠調(diào)整入射光的波前形狀,進而在一個很薄的平面區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)對光場的全方位調(diào)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(surface plasmons,SPs)納米天線結(jié)構(gòu)中的一種。其憑借超薄、雙共振效應(yīng)、全相位調(diào)控、無畸變等諸多優(yōu)異特性,成為用來設(shè)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(shè)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(guān)改進方法。最后,基于超振蕩原理對該平面聚焦透鏡進行調(diào)制,使其在遠場實現(xiàn)了超分辨聚焦,并完成了相關(guān)實驗制備與光學測試。本論文具體研究內(nèi)容及相關(guān)成果如下:1.開展V形納米天線結(jié)構(gòu)光學特性研究。一方面,分析了該天線的共振模式,并利用時域有限元差分法(finite different time domain,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(yīng)。另一方面,介紹了一些利用V形納米天線陣列設(shè)計平面聚焦透鏡的方法,并利用這些方法設(shè)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(shè)計的平面透鏡結(jié)構(gòu)均可實現(xiàn)高效聚焦。2.開展基于V形納米天線陣列所設(shè)計的平面透鏡的聚焦性能研究。為了提升SPs平面透鏡的聚焦性能,本文提出了一種金屬-介質(zhì)-金屬(metal-insulator-metal,MIM)的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)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(zhì)組成。該設(shè)計通過對兩層金屬結(jié)構(gòu)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)腟Ps波在一定條件下產(chǎn)生了共振耦合增強,從而使MIM結(jié)構(gòu)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(zhì)中。通過計算不同折射率介質(zhì)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(shè)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(super oscillatory lens,SOL)的設(shè)計方法。即基于超振蕩原理,通過相位屏蔽的方法設(shè)計出了一種可實現(xiàn)遠場超分辨聚焦的透鏡結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化設(shè)計得出,當對該透鏡的第8-17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(electron beam lithography,EBL)結(jié)合微細加工工藝制備出了該SOL結(jié)構(gòu)。最后搭建光學檢測平臺完成光場分布測試。測試結(jié)果與仿真結(jié)果相差無幾,從而驗證了之前的設(shè)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應(yīng)用。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN820

【參考文獻】

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本文編號：2443378