[发明专利]一种零角度入射的表面等离子体光学耦合超透镜

说明书

本发明提出一种零角度入射的表面等离子体(SPR)光学耦合透镜，由三个光学面组成：一表面形貌为本发明设计的特殊光学非球面，一个高度确定的圆柱面，一个圆形光学平面。该耦合透镜关于过光学平面中心的法线方向上轴对称，在平行于透镜光学平面的横截面为圆形。该耦合透镜由高折射率材料组成，平行光由光学非球面一侧平行于光轴射入透镜，经特殊光学非球面折射，聚焦于透镜的圆形光学平面的表面几何中心。当在该耦合透镜的光学平面上镀上表面等离子体金属材料时，可在平行于透镜光轴的零角度入射在透镜的平面表面几何中心处激发表面等离子体。本发明有效避免了SPR棱镜耦合系统的大角度入射造成的三角式机械架构复杂、像差大、检测精度低等问题。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种零角度入射的表面等离子体光学耦合超透镜。

背景技术

表面等离子体(Surface Plasmon Resonance，SPR)是在金属和电介质的界面上传播的一种表面电磁波，在金属/电介质界面处的电场强度最大且在垂直于界面的法向上呈指数衰减。表面等离子体波的波矢量大于真空条件下的光波矢量，因此通常需要借助于其他手段来实现波矢的匹配从而激发SPR，常用的耦合方法有棱镜耦合、波导耦合、光栅耦合等。在棱镜耦合系统中，由于SPR 仅在特定的入射角下才能激发，目前广泛采用的是三角式机械架构来匹配SPR 的激发角和经棱镜后的反射光的探测，即照明光路和检测光路都与法线成一个角度，整个系统的机械架构复杂、实现困难、棱镜不是一种理想的成像光学元器件造成的像差较大、对光机电的控制要求较高、SPR仪器的成本居高不下，而且难以与大多采用法向零角度入射的常规光学表征技术兼容。本发明提出了一种零角度入射的SPR光学耦合超透镜，能够实现零角度入射下的SPR激发和检测，免去了必须使用三角机械架构的要求，机电系统控制大为简化，成本降低且能与其他光学技术方便地兼容。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前广泛采用的棱镜SPR耦合系统通常采用三角式机械架构来匹配 SPR的激发角和经棱镜后的反射光的探测，即照明光路和检测光路都与棱镜斜面的法线构成一个角度，整个系统的机械架构复杂、实现复杂、像差大(棱镜不是一种理想的成像光学元器件)、对光机电的控制较高、SPR仪器的成本居高不下，而且难以与其他的多采用法向零角度入射的常规光学表征技术兼容。为解决这一问题，本发明提出了一种零角度入射的SPR光学耦合超透镜。

(二)技术方案

本发明提出一种高数值孔径的表面等离子体光学耦合超透镜，由三个光学面组成，一个表面形貌光学非球面，一个表面为圆形光学平面，一个为高度确定的圆柱面。超透镜的三维形状对称，光轴平行于入射平行光并与光学平面相交于中心。

本发明的高数值孔径表面等离子体光学耦合超透镜采用对可见光透明的高折射率材料组成，平行光由非球面入射到表面等离子体光学耦合超透镜，经过一次折射后，聚焦到光学平面中心，从而激发样品的SPR，达到检测目的。

非球面表面等离子体光学耦合超透镜的曲线由设计的递推公式求出，以曲线顶点为原点，顶点切线为x轴建立平面直角坐标系，将表面等离子体光学耦合超透镜的曲线分为m份，每个点设为(x_i(m),y_i(m))，对应的曲面法线与入射光的夹角为(2m-2),孔径半角分为2m-1份，设为θ(m), 表面等离子体光学耦合超透镜折射率n，h为非球面曲线顶点到其赤道面的距离，f为圆柱面高度，于是有

其中，

y(m)＝-x(m)*cot[θ(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[θ(2m-2)]

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0