金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

　　0　引言

　　根据经典理论,光波在狭缝中的透过率都正比于狭缝尺寸与入射波长比值的四次方[1],所以亚波长金属狭缝的透过率是极低的.1998年,Ebbesen课题组发现当一束光垂直通过周期性小孔阵列的金属银(Ag)膜时,在某些特定的波长P偏振光有异常的透过增强.他们给出的解释是金属表面的周期结构产生了表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)共振[2].随后将这一共振透射机制引入到金属狭缝和金属圆孔中[3],突破了亚波长狭缝/圆孔对透过率的限制作用,这对光学超分辨领域的研究起到了极大的推动作用.这种金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力[4-6].

　　近年来的研究主要集中在针对P偏振平行光束各项透射特性及对称器件设计[7-9],当金属薄膜亚波长细缝与对称光栅结合时,可以改变P偏振透射光的出射方向,可以实现会聚、准直、发散三种形式.由于高斯光束是实际应用中最常见的光束特性,本文结合金属亚波长对称结构原理,通过公式推导法、Helmholtz互易定理得到针对平行光入射时的结构参量,结合了633nm入射波长的高斯光束本身的发散特性及近场分布特色,模拟发现其出射面金属光栅结构的参量向短周期方向漂移了12%,可以实现高斯光束集束器件的设计.在此基础上,对出射面光栅非对称设计的结构,可以实现定方向小角度的光束集束.

　　1　结构参量

　　亚波长金属狭缝与对称光栅的结合如图1.金属薄膜厚度即狭缝深度为t,狭缝宽度为w,光栅周期为d,光栅深度为h,入射光为P偏振态.金属薄膜与块状金属材料具有不同的光学参量[10-11],Ag膜在可见光及近红外波段具有最小的吸收损耗,在亚波长微结构中,尤其当狭缝较深时,Ag将是首选的金属材料.本文研究的结构中使用的金属材料均是Ag,其中在波长633 nm时的折射率为0.0560+4.283i.

　　对于线性狭缝结构,其入射光的透射过程可以分为三个步骤[7]:1)耦合输入函数表示入射光在亚波长孔径的入口处转变为倏逝波的总量,即透射增强作用;2)倏逝波受小孔截止函数的影响在传输过程中呈指数形式衰减;3)在出射界面耦合输出函数决定了倏逝波转变为可传播波的形式.即控制出射光的远场分布.由于高斯光束是一种具有特殊结构的高单色性、最小横向发散角的激光束,在光学元件边缘的衍射损耗也是最小的,高斯光束是实际应用中最常见的光束特性,因此借助于线性狭缝结构的入射光透射的三个步骤,对高斯光束的各种集束器件的设计和实际应用具有较好的指导意义.对于步骤1)和2),可以通过结构优化,即入射光栅与薄膜厚度参量选择,实现对定波长的最大透射增强作用.