[发明专利]一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜

说明书

本发明提出一种高数值孔径的油浸表面等离子体(SPR)超透镜，超透镜一侧为表面形貌为本发明设计的光学非球面，另一侧为光学平面。该耦合透镜在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。该耦合透镜由对可见光透明的高折射率材料组成，平行光由光学非球面一侧平行于光轴射入透镜，经光学非球面和匹配油层折射，聚焦于超透镜的焦点。当该耦合超透镜数值孔径大于1.05时，可用于激发表面等离子体。本发明可作为高数值孔径油浸显微物镜的有效替代，具有结构简单、成本低、工作距离可定义等优点。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜。

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SPR耦合方法有电子耦合、光栅耦合、应用最广的Kretschmann棱镜结构、以及在Kretschmann棱镜结构上发展起来的“类三明治”多层结构耦合。当前高分辨率SPR耦合结构主要是油浸高数值孔径(NA)显微物镜。油浸高NA显微物镜SPR结构的优点在于能够沿法向零角度入射，因此机械架构简单且方便与其他光学显微技术兼容，缺点是该技术对于数值孔径严重依赖且成本极高。本发明提出了一种既具有与油浸显微物镜类似具有高NA、能够采用零角度入射的特性，又不对放大倍数、像差、工作距等有要求的高数值孔径的SPR专用激发超透镜，解决当前高分辨率SPR系统对NA的极度依赖以及成本过高难以走出实验室以及实现产业化等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前的高分辨率SPR系统大多采用油浸显微物镜作为耦合器件，商用的油浸显微物镜数值主要是为显微成像系统设计的，不仅结构复杂、数值孔径(NA)有限，而且放大倍数、像差、工作距离等特性的严格要求使得其成本极高，而高分辨率SPR耦合结构主要是应用油浸显微物镜的高数值孔径(NA)这一特性，对其他的特性则要求不高，造成成本的极大浪费。

(二)技术方案

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高数值孔径的表面等离子体超透镜，包含由两个光学面组成，一个表面形貌为本发明设计的光学非球面，一个为圆形光学平面。

所述超透镜关于其自身圆形平面中心轴线对称，在平行于透镜光学平面的横截面为圆形。所述超透镜由对可见光透明的固态高折射率材料组成，匹配油的折射率与超透镜折射率接近。

所述超透镜，当平行光由光学非球面一侧入射，经过光学非球面和匹配油层的二次折射后聚焦在位于超透镜的法向延长线上的焦点处。

所述高数值孔径的油浸表面等离子体超透镜有效数值孔径为NA＝n₁·sinα，其中n₁为表面等离子体超透镜折射率，α为平行光入射时表面等离子体超透镜能够提供的最大孔径半角。

所述油浸表面等离子体超透镜的光学非球面边界上的点满足的关系如下，当以超透镜的顶点为原点，顶点切线为x轴，以垂直x轴方向为y轴建立直角坐标系一系列点(x(m)，y(m))满足以下递推关系，m为自然数：

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

r＝f×tanθ

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0