[发明专利]一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法及器件

说明书

本发明涉及一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，在金属表面开设呈像素形状的若干凹槽，凹槽沿横向分布，并且在纵向方向呈至少一列，形成凹槽阵列；光线从垂直于金属表面的方向照射凹槽阵列，在金属表面生成纵向分布的表面等离激元焦点；遍历所有凹槽阵列的组合，检索得到具有特定纵向焦点强度分布的特定凹槽阵列，实现纵向焦点强度调控。本发明通过改变凹槽阵列的组合，能够得到不同要求的焦点分布与光强度，实现表面等离激元纵向焦点强度调控。表面等离激元的独特性质非常适合在金属表面制备微小尺寸的二维器件，基于表面等离激元来实现光场的纵向强度调控，将非常有利于器件的小型化和平面化集成。

技术领域

本发明涉及光学领域，更具体地说，涉及一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，以及实现表面等离激元纵向焦点强度调控的器件。

背景技术

表面等离激元SPP(Surface Plasmon Polariton)是一种局域在金属/介质表面的电磁场表面模式，其特点是电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减；并且以大于介质中同频率光子的波数沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现能量转换。利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控。

实现光束的聚焦强度沿纵向(沿传播方向)的调控(如获得纵向多焦点或超长的焦深) 在生物成像、粒子捕获、数据存储、光刻以及激光加工等领域有重要应用。

传统光学上若要实现聚焦强度的纵向调控，一般需要透镜，以及在入瞳位置设置光学掩膜板对入射光束的相位和强度进行调制，因此并不利于器件的集成。有时候甚至还需要径向偏振(radially polarized)或旋向偏振(azimuthally polarized)的入射波前，这种非均匀偏振的光束一般不能直接从传统的激光器输出，需要额外的偏振调控器件，如空间光调制器，因此实现起来成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有利于器件的小型化和平面集成化的表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，以及实现表面等离激元纵向焦点强度调控的器件。

本发明的技术方案如下：

一种实现表面等离激元纵向焦点强度调控的方法，在金属表面开设呈像素形状的若干凹槽，凹槽沿横向分布，并且在纵向方向呈至少一列，形成凹槽阵列；光线从垂直于金属表面的方向照射凹槽阵列，在金属表面生成纵向分布的表面等离激元焦点；遍历所有凹槽阵列的组合，检索得到具有特定纵向焦点强度分布的特定凹槽阵列，实现纵向焦点强度调控。

作为优选，以纵向为x轴、横向为y轴、光照方向为z轴建立坐标系，每个凹槽沿x轴位置的不同，调控激发场沿x轴上的相位分布。

作为优选，凹槽的x坐标为：x(k)＝kλ_SPP/N，其中，λ_SPP是表面等离激元的波长，N是相位阶数，k＝0,1,2,…,N-1。

作为优选，从每个凹槽处激发的表面等离激元具有和其x坐标相关的初相位，只要每个凹槽被同相激发(光源是平面波或者金属表面位于高斯光束腰的位置)，则初相位只和凹槽的x 坐标有关。

作为优选，每个凹槽在金属表面上特定的场点位置对表面等离激元电场的贡献为∫E_SPPdy，积分沿y方向遍及整个凹槽；

其中，E_SPP为表面等离激元点源的电场，A是入射光的振幅，k_spp和k_z分别为表面等离激元在金属表面内和沿z轴方向的波矢，ω是入射光的圆频率，L是表面等离激元电场的传播长度，H₁⁽¹⁾为第一类Hankel函数，i是虚数单位；