[发明专利]表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法

说明书

本发明公开一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，步骤为：在一种已有SPPs相位调节超表面原始结构的左侧刻蚀单个反射光栅，将左侧由原始结构激发的SPPs反射至右侧，其中反射光栅的刻蚀方式为不完全刻蚀，光源设置在整个超表面下方，即背部照明方式；调节反射光栅中心到已有结构中心的距离，使得反射至右侧的SPPs与原有激发的SPPs发生相长干涉，提高激发效率；将单个反射光栅扩展至多个即形成反射光栅阵列，获得更高的激发效率的同时实现定向耦合以及相位调控。本发明避免了对原有结构激发的SPPs的干扰，实现SPPs的定向传播和耦合增强，进一步提高SPPs的激发效率且不影响超表面原有的相位调节能力。

技术领域

本发明涉及一种超分辨成像技术，具体为一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法。

背景技术

表面等离激元学是近几年来研究十分活跃的一门光学分支学科，当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体震荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，当入射光波的频率与自由电子的振荡频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式，共振时产生的表面电磁波即为表面等离子激元(SPPs)。SPPs能够将光波束缚在远小于波长的范围内，从而突破衍射极限，控制光在纳米尺度上的传播与发散。此外，这种强有力的场约束能够显著增强SPPs与金属界面处的电磁辐射间的共振，使界面局部处的场产生增强响应，导致显著增强的光学近场。到目前为止，SPPs在超分辨成像、纳米光刻、高密度数据存储、生物传感、单分子检测及集成光电子等领域都发挥着重要的作用。超表面是超材料的一种二维平面形式(如图1所示)，由平面上基于相位突变和极化控制思想设计的亚波长结构单元组成，利用超表面的突破经典光学局限的能力，可以有效的实现对SPPs的波前调控，包括对振幅、相位和偏振的调控(如图2所示)。并且由于SPPs在超表面和空气的界面传播，并非在材料里传播，因此SPPs在超表面的传播损耗可以设计的比较小。此外，超表面具有尺寸薄、加工精确、易于共形，集成度高等优点，对于控制SPPs的传播具有重大的优势，并迅速成为超表面领域一个重要学术发展方向。

但是目前这种对表面波进行调控的方式还存在着许多不足，比如金属欧姆损耗和镜面反射的存在，使得SPPs的激发效率较低，纳米结构需要有目的性的特殊设计，导致超表面功能单一。论文《Polarization-to-Phase Coupling at a Structured Surface forPlasmonic Structured Illumination Microscopy》提出了一种偏振调控SPPs超表面，其通过圆偏振光可以分解为两个相互垂直，带有90°相位差的电场分量的特性，在金膜上刻蚀两列相互垂直并分别垂直于两电场分量的纳米矩形孔以激发SPPs，通过调节两列纳米孔的间距，使得两电场分量具有的相位差转化成平面SPPs波相位，改变圆偏振光的左旋右旋特性以及线偏振光单侧激发实现对激发的SPPs的相位调节。但是SPPs激发效率过低，需要刻蚀多周期结构提高SPPs激发效率，同时结构两侧均能形成SPPs驻波，但应用于超分辨成像仅需要一侧，造成资源浪费。

发明内容

针对现有技术中激发方向不定导致资源浪费，以及激发效率低等不足，本发明要解决的问题是提供一种可定向激发SPPs并提高其激发效率的表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种表面等离子激元定向高效耦合相位可调超表面形成方法，用于表面等离激元结构光照明超分辨显微成像中，包括以下步骤：

1)在一种已有SPPs相位调节超表面原始结构的左侧刻蚀单个反射光栅，将左侧由原始结构激发的SPPs反射至右侧，其中反射光栅的刻蚀方式为不完全刻蚀，光源设置在整个超表面下方，即背部照明方式；