[发明专利]三维等离激元超透镜、基于其生成手性和非手性成像方法

说明书

本发明涉及一种三维等离激元超透镜、基于其生成手性和非手性成像方法，三维等离激元超透镜包括二氧化硅衬底，所述二氧化硅衬底的上表面设置有金属层；若干纳米柱，穿过所述金属层并设置于二氧化硅衬底上，其中，若干所述纳米柱具有不同高度且纳米柱的横截面呈椭圆形，每个所述纳米柱的椭圆形横截面具有不同的横轴长度和纵轴长度，每个所述纳米柱横截面以x轴所在直线旋转到纳米柱横截面纵轴长度所在直线形成的方位角不同，每个纳米柱椭圆形横截面与其相邻纳米柱椭圆形横截面中心点之间的距离相同；每个所述纳米柱的上表面设置有金属膜。本发明的三维等离激元超透镜可以同时用于手性和非手性成像、以及偏振检测。

技术领域

本发明涉及超透镜设计技术领域，尤其是指一种三维等离激元超透镜、基于其生成手性和非手性成像方法。

背景技术

与传统的体光学系统相比，超透镜由于其重量轻、集成度高和多功能的特点而受到了极大的关注，它们已经成功应用在消色差成像、多光谱成像、虚拟/增强现实、生物成像和偏振成像等领域。Pancharatnam-Berry相位(P-B相位，几何相位)是一种常见的超透镜相位调控方式，其中P-B相位仅对特定的右旋圆偏振(Right-handed Circularly Polarized，RCP)或左旋圆偏振(Left-handed Circularly Polarized，LCP)入射光起作用并且要和纳米结构的方位角相匹配。2016年，在可见光波段的RCP光波入射下，基于P-B相位的TiO2超透镜被实验证明可用于衍射极限的聚焦和亚波长分辨率的成像。然而，基于P-B相位的超透镜受到相位调控原理的限制，即只能用于圆偏振光，这就导致自然光入射时理论能量效率只有50％。自然光入射下，偏振无关超透镜也被提出并证明，这打破了入射偏振态的限制。基于具有4倍对称性纳米结构和对称相位分布的超透镜已经成功应用在并消色差成像和集成成像领域中。光的强度信息和波长信息可以通过这些偏振无关超透镜获得，但缺少对光波偏振信息的探测。

与物体的强度图像不同，偏振成像可以获得物体的更多信息，例如表面细节和组成材料。特别是手性成像极为重要，通过精确提取来自物体的RCP和LCP光波成分，可以分析物体(例如生物细胞)的结构和的材料手性特征。传统的手性成像是通过结合圆偏振二向色性超表面和成像系统来实现的，其中具有超表面的纳米结构具有手性并提取不同的圆偏振信息，例如三维金螺旋丝/螺旋面阵列、二维Z字形和万字型纳米结构。由于只有想要的偏振分量(例如RCP)被透射的，而其正交分量(例如LCP)被反射的，因此对于自然光入射，这些超表面的能量效率也被限制在50％。

在中红外波段，一种集成了成像和圆二色性双功能的手性超透镜被提出并进行了实验证明，其中三维金螺旋面纳米结构被用于实现圆偏振二向色性，螺旋面纳米结构的方位角按照P-B相位排布以聚焦透射的圆偏振光。然而，这些工作仅针对一种偏振态进行设计，并且由于圆二向色性的机理，效率也被限制在50％。由两套交织的TiO2纳米柱构成的多光谱手性成像超透镜在可见光波段得到验证，其中一套纳米柱的方位角按照RCP光波对应的P-B相位排布，而另一套纳米柱的方位角按照LCP光波对应的P-B相位排布。因此，RCP和LCP入射光可以在不同位置成像，从而产生手性图像。然而，由于P-B相位的设计机理，效率也被限制在50％。

通过组合P-B相位和传播相位，可以通过一套纳米结构同时实现一对正交椭圆偏振光的操作。在532nm设计波长下，由不同尺寸和方位角的TiO2纳米柱阵列构成的手性成像超透镜被实验证明，RCP和LCP入射光波被一套纳米结构成像在不同空间位置。类似地，由一套Si纳米柱构成的手性成像超透镜也在980nm的设计波长下进行了仿真验证。这些超透镜可以获得物体的手性图像，但不能直接获得强度图像(偏振无关图像)，这限制了其在一般成像领域的应用。对于特定的圆偏振入射，这些超透镜中只能获得一个焦点或像。