表面等離子體平面金屬透鏡及其應(yīng)用

朱業(yè)傳，苑偉政，虞益挺 *

(1.西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微納機(jī)電系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

表面等離子體平面金屬透鏡及其應(yīng)用

朱業(yè)傳1,2，苑偉政1,2，虞益挺1,2 *

(1.西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微納機(jī)電系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

由于衍射極限的存在，傳統(tǒng)光學(xué)透鏡成像分辨率理論上只能達(dá)到入射光波長(zhǎng)的一半。通過(guò)恢復(fù)和增強(qiáng)攜帶物體細(xì)部特征信息的高頻倏逝波，基于表面等離子體的平面金屬透鏡有望突破這種光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨成像。本文對(duì)平面薄膜式與納米結(jié)構(gòu)式兩類(lèi)平面金屬透鏡進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了若干典型平面金屬透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作機(jī)理及其聚焦性能，并對(duì)其特點(diǎn)與存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析與討論。由于光波在金屬中傳播時(shí)存在一定損耗，如何更高效地增強(qiáng)高頻倏逝波信號(hào)并轉(zhuǎn)換成傳播波，使其參與成像，以更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像，以及如何進(jìn)一步增大近場(chǎng)超高分辨率聚焦光斑焦深以及減小遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦光斑尺寸，是表面等離子體平面金屬透鏡進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

表面等離子體；平面金屬透鏡；超分辨成像與聚焦

1 引 言

透鏡及其光學(xué)系統(tǒng)在高分辨成像、工業(yè)納米光刻以及光集成等諸多技術(shù)中具有廣泛應(yīng)用，同時(shí)也是諸多領(lǐng)域的核心部件。然而，由于受到衍射的影響，傳統(tǒng)透鏡及光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率很難突破λ/2(其中，λ是入射光波長(zhǎng))[1]。這種衍射極限對(duì)透鏡分辨率的限制嚴(yán)重地制約了透鏡在各類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，突破衍射極限、實(shí)現(xiàn)超分辨聚焦與成像具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)光波照射到物體表面時(shí)，在物體表面形成攜帶物體信息的光場(chǎng)分布，其包含兩種光波：一種是可以向遠(yuǎn)處傳播的傳播波；另一種是被局域在物體表面，在物體之外迅速衰減的非輻射倏逝波。物體亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的信息隱藏在倏逝波中，其強(qiáng)度隨著離開(kāi)物體距離的增大而迅速衰減，衰減速度與空間頻率成正比，結(jié)構(gòu)越是精細(xì)，倏逝波就越被強(qiáng)烈地束縛在物體表面。而遠(yuǎn)場(chǎng)只有傳播波，其僅包含電磁波的低空間頻率部分，不含有物體的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)信息。傳統(tǒng)透鏡只能匯聚遠(yuǎn)場(chǎng)傳播波，而攜帶物體精細(xì)結(jié)構(gòu)的倏逝波未能參與到其成像中，這是傳統(tǒng)透鏡分辨率受限于衍射極限的根本原因。

近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微技術(shù)(Near-field Scanning Optical Microscopy,NSOM)利用探針捕捉物體表面攜帶物體精細(xì)特征的倏逝波信號(hào)以實(shí)現(xiàn)超分辨成像[2]。這種方法雖然在近場(chǎng)區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)超分辨成像，然而在實(shí)際操作中較難控制，并且由于采用逐點(diǎn)掃描其工作效率也較低。而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，該方法的成像效果受限于探針孔徑以及倏逝波信號(hào)的迅速衰減，難于實(shí)現(xiàn)高分辨成像。

基于表面等離子體的平面金屬透鏡利用同樣作為倏逝波的表面等離子體(surface plasmons,SPs)[3-6]恢復(fù)和增強(qiáng)攜帶物體精細(xì)結(jié)構(gòu)的倏逝波信號(hào)，并使其參與成像，為突破衍射極限、實(shí)現(xiàn)超分辨成像與聚焦提供一種新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

2000年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院J.B.Pendry教授利用超薄金屬銀膜作為負(fù)折射材料，首次提出了“完美透鏡”的概念[7]。2005年，加州大學(xué)伯克利分校的張翔研究小組首次實(shí)驗(yàn)演示了這種金屬銀膜超透鏡，并實(shí)現(xiàn)了λ/6的成像分辨率[8-9]，實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。同時(shí)，利用局域表面等離子體共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)可產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)熱點(diǎn)(hotspots)，從而實(shí)現(xiàn)超高分辨率聚焦。K.Ueno等人利用蝴蝶結(jié)型(bowtie)結(jié)構(gòu)的金膜得到了迄今為止最高的聚焦分辨率λ/160[10]。2011年，張翔研究小組基于與這種蝴蝶結(jié)類(lèi)似的納米結(jié)構(gòu)研制出了可以實(shí)現(xiàn)無(wú)掩膜超分辨納米光刻技術(shù)的平面金屬透鏡[11]，并達(dá)到了22 nm的光刻分辨率。然而，這些可以實(shí)現(xiàn)超分辨成像與聚焦的薄膜式和納米結(jié)構(gòu)式平面金屬透鏡工作距離很短，其成像與焦點(diǎn)只能束縛于金屬/介質(zhì)的界面附近，在實(shí)際應(yīng)用中難于操控。

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)的超分辨聚焦與成像，基于納米狹縫、圓環(huán)或圓孔等金屬納米結(jié)構(gòu)的平面金屬透鏡得到了廣泛研究[12-23]。

本文以平面金屬透鏡的超分辨聚焦與成像作為主線(xiàn)，對(duì)薄膜式與納米結(jié)構(gòu)式兩類(lèi)平面金屬透鏡進(jìn)行了綜述，探討了若干典型平面金屬透鏡的工作機(jī)理、聚焦性能及其研究進(jìn)展。

2 薄膜式平面金屬透鏡

2.1 近場(chǎng)超透鏡(Near-field Superlens)

不同于傳統(tǒng)光學(xué)透鏡，基于金屬薄膜的近場(chǎng)超透鏡，利用金屬薄膜負(fù)折射效應(yīng)，不僅可以匯聚遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸?shù)膫鞑ゲ?，同時(shí)通過(guò)對(duì)近場(chǎng)倏逝波信號(hào)的恢復(fù)和增強(qiáng)并使其直接參與到超透鏡成像中，如圖1所示[9]。

圖1 不同透鏡的工作模式Fig.1 Schematic operation of different categories of optical lenses

圖2 銀膜超透鏡超分辨成像實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a silver film optical superlensing experiment

圖2所示是張翔等人研發(fā)的銀膜超透鏡超分辨成像結(jié)構(gòu)示意圖[8]。圖中，利用聚焦離子束工藝(focused ion beam,FIB)在Cr膜刻蝕的不同納米結(jié)構(gòu)作為被成像的物體，PMMA層用來(lái)控制Cr膜與銀膜超透鏡之間的間距(40 nm)，其中銀膜厚度為35 nm，物體的像記錄在負(fù)性光刻膠層上。顯影后，通過(guò)原子力顯微鏡表征物體像的圖樣。在波長(zhǎng)為365 nm的入射光作用下，銀膜超透鏡通過(guò)激發(fā)表面等離子體放大倏逝波，補(bǔ)償倏逝波在空氣傳播中的指數(shù)衰減，從而實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。如圖3(a)和3(c)所示，在銀膜超透鏡作用下，Cr膜上刻蝕的周期為120 nm、寬度為 60 nm(λ/6)的狹縫陣列可以被清晰地分辨出來(lái)。然而，當(dāng)用PMMA層代替銀膜時(shí)，成像結(jié)果則失去了Cr膜上刻蝕的狹縫陣列的精細(xì)信息，如圖3(b)和3(d)。這種銀膜超透鏡也可以實(shí)現(xiàn)任意納米結(jié)構(gòu)的超分辨成像。例如，對(duì)于Cr膜上刻蝕的線(xiàn)寬為40 nm的任意結(jié)構(gòu)“NANO”，銀膜超透鏡實(shí)現(xiàn)了89 nm(λ/4.1)的精細(xì)成像寬度，而沒(méi)有銀膜超透鏡作用時(shí)，該結(jié)構(gòu)的成像寬度為(321 ± 10) nm，遠(yuǎn)大于前者的成像尺寸，如圖4所示。

圖3 納米狹縫陣列成像對(duì)比。(a)原子力顯微鏡測(cè)得的基于銀膜超透鏡的成像結(jié)果及其(c)截面輪廓圖，(b)利用35 nm厚的PMMA薄膜替代金屬銀膜后的成像結(jié)果及其(d)截面輪廓圖Fig.3 Comparison of the images for an array of 60-nm-wide slots with and without silver superlens. (a)AFM picture of the developed image recorded with the silver superlens and (c)its profile of height. (b)AFM picture of the developed image recorded without the silver superlens, whilst 35-nm-thick PMMA layer instead, and (d)its profile of height

圖4 任意納米結(jié)構(gòu)“NANO”成像對(duì)比。(a)FIB加工的“NANO”結(jié)構(gòu)。(b)基于銀膜超透鏡實(shí)現(xiàn)的成像結(jié)果。(c)利用35 nm厚的PMMA薄膜替代金屬銀膜后的成像結(jié)果。(d)不同成像系統(tǒng)中，字母“A”的像線(xiàn)寬Fig.4 Comparison of the images for an arbitrary object “NANO” with and without silver superlens. (a)FIB fabricated result of the object. The linewidth of the “NANO” object was 40 nm. (b)AFM of the developed image on photoresist with a silver superlens. (c)AFM of the developed image on photoresist when the 35-nm-thick layer of silver was replaced by PMMA spacer as a comparative experiment. (d)Averaged cross section of letter “A” shows an exposed line width of 89 nm(black line), whereas for the PMMA spacer, it is 321±10 nm(gray line)

盡管這種銀膜超透鏡能夠顯著地改進(jìn)納米結(jié)構(gòu)的成像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)超分辨成像，然而，由于倏逝波離開(kāi)銀膜超透鏡表面時(shí)迅速衰減，其工作距離很小，僅能局限于近場(chǎng)區(qū)域。張翔研究小組進(jìn)一步提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像的超透鏡[24-25]。

2.2 遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡(Far-field Superlens,FSL)

圖5 (a)由亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)和銀膜構(gòu)成的遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡及其工作原理,(b)遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡顯微成像系統(tǒng)Fig.5 (a)A far-field superlens(FSL) constructed by adding a subwavelength grating onto a silver slab superlens. (b)A FSL microscope

近場(chǎng)超透鏡由單層超薄銀膜構(gòu)成，而遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡是在超薄銀膜上增加了周期性的光柵結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示。這種結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)功能：首先，超薄銀膜通過(guò)激發(fā)表面等離子體來(lái)增強(qiáng)攜帶物體精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的倏逝波，然后利用周期性光柵結(jié)構(gòu)將增強(qiáng)的倏逝波轉(zhuǎn)換成傳播波，并參與到傳統(tǒng)的顯微成像過(guò)程中(如圖5(b)所示)。

圖6 一對(duì)納米狹縫的遠(yuǎn)場(chǎng)成像。(a)FIB加工的一對(duì)納米狹縫。(b)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡成像。(c) 在s極化光作用下，遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡成像。(d)在s和p極化光作用下，遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡成像。(e)不同情況下像的截面輪廓對(duì)比Fig.6 Far-field imaging of a pair of nanoslits. (a)A pair of nanoslits fabricated by FIB on a 40 nm thick Cr film on the quartz substrate. (b)Diffraction-limited image from a conventional optical microscoped. (c)FSL image with s-polarized incident light, which is still diffraction limited due to the lack of surface-plasmon-assisted evanescent enhancementd. (d)FSL image combining both s- and p-polarized incident lights that resolves the sub-diffraction-limit objects due to the strong enhancement of evanescent waves via efficient surface plasmon excitation. (e)Intensity profiles of the images as given above in (b), (c) and (d)

圖6所示的是寬度為50 nm、間距為70 nm一對(duì)納米狹縫(圖6(a))及其遠(yuǎn)場(chǎng)成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中入射光波長(zhǎng)為377 nm。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡并不能夠清晰地獲得這對(duì)納米狹縫的像，如圖6(b)和6(e)所示，一定間隔的一對(duì)狹縫最終的像是一個(gè)狹縫。當(dāng)利用遠(yuǎn)場(chǎng)超透鏡參與成像并且入射光為p極化光時(shí)，這組納米狹縫可以很清晰地被分辨出來(lái)(圖6(d)和6(e))。入射光為p極化光的目的是為了激發(fā)表面等離子體并進(jìn)而增強(qiáng)攜帶物體精細(xì)特征的倏逝波信號(hào)，而當(dāng)入射光為s極化光時(shí)，表面等離子體未能被激發(fā)，倏逝波信號(hào)也得不到增強(qiáng)，因此，最終這對(duì)納米狹縫也不能夠被分辨出來(lái)(圖6(c)和6(e))，可見(jiàn)，表面等離子體在超透鏡實(shí)現(xiàn)超分辨成像中起著決定性作用。

除了上述典型的用于近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像的平面薄膜式超透鏡，納米結(jié)構(gòu)式的金屬平面透鏡被更加廣泛地研究，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)形式的多樣性賦予了平面金屬透鏡更豐富、更可控的光場(chǎng)調(diào)制能力。

3 納米結(jié)構(gòu)式平面金屬透鏡

3.1 近場(chǎng)超分辨聚焦的平面金屬透鏡

3.1.1 亞波長(zhǎng)圓孔式平面金屬透鏡

亞波長(zhǎng)圓孔式表面等離子體透鏡[26]是由刻蝕有周期性亞波長(zhǎng)圓孔陣列的金屬薄膜構(gòu)成，利用光在亞波長(zhǎng)周期性金屬圓孔中的超常傳輸(extraordinary optical transmission,EOT)特性[27]，在圓孔出射面附近形成超分辨聚焦光點(diǎn)。圖7所示的是在金屬鋁膜上采用FIB工藝加工的圓孔式表面等離子體透鏡及其在納米光刻中的應(yīng)用，其工作波長(zhǎng)為365 nm。對(duì)于孔徑為40 nm、周期為170 nm、金屬膜厚為80 nm的圓孔式表面等離子體透鏡，最終獲得了孔徑為90 nm、周期為170 nm的光刻圖樣(圖7(c))，突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了超分辨光刻。由于光在亞波長(zhǎng)圓孔中超常傳輸特性與圓孔尺寸、周期以及工作波長(zhǎng)密切相關(guān)，對(duì)于一定的工作波長(zhǎng)，光在不同結(jié)構(gòu)的圓孔陣列中有著不同的傳輸特性(如圖7(d)所示)，因此，為了實(shí)現(xiàn)更好的光刻效果，針對(duì)一定的工作波長(zhǎng)，應(yīng)選取合適的亞波長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)。

圖7 亞波長(zhǎng)圓孔式平面金屬透鏡及其光刻應(yīng)用。(a)圓孔式平面金屬透鏡光刻示意圖。(b)FIB加工的圓孔陣列式掩膜。(c)原子力顯微鏡測(cè)得的成像結(jié)果。(d)結(jié)構(gòu)透過(guò)率與入射波長(zhǎng)之間關(guān)系Fig.7 Plasmonic lens formed by subwavelength nanohole arrays perforated in a metal film and its application to optical nanolithography. (a)Schematic of the plasmonic lithography. (b)FIB image of a hole array mask. (c)AFM image of the array pattern. (d)Spectrum measurements of far-field transmission through the hole array

3.1.2 蝴蝶結(jié)(bowtie)型平面金屬透鏡

國(guó)際上，許多科研小組開(kāi)展了該類(lèi)型表面等離子體透鏡的研究[10,28-29]，本文主要闡述文獻(xiàn)[5]中的研究?jī)?nèi)容。文獻(xiàn)[5]中的蝴蝶結(jié)型表面等離子體透鏡如圖8(a)所示，金屬部分構(gòu)成蝴蝶結(jié)形狀，金屬尖端之間的間距為4 nm。

當(dāng)入射光照射到該金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，在兩金屬尖端及其之間區(qū)域發(fā)生局域表面等離子體共振，從而在此區(qū)域產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)熱點(diǎn)(圖8(b))，局域場(chǎng)強(qiáng)可提高到入射場(chǎng)的105倍(圖8(d))。該蝴蝶結(jié)型表面等離子體透鏡在實(shí)驗(yàn)中獲得了最小尺寸為5 nm(λ/160)的光刻圖樣，實(shí)現(xiàn)了極亞波長(zhǎng)聚焦。

3.1.3 納米圓環(huán)與啞鈴型通孔結(jié)構(gòu)相結(jié)合的平面金屬透鏡

盡管蝴蝶結(jié)型平面金屬透鏡實(shí)現(xiàn)了極高分辨率聚焦，但是這種透鏡工作距離很短，僅10 nm左右，同時(shí)光通量很小，在光刻應(yīng)用中并不能達(dá)到很好的實(shí)際效果。之后，加州大學(xué)伯克利分校張翔課題組提出了復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面等離子體透鏡以實(shí)現(xiàn)極亞波長(zhǎng)光刻[11]。此平面金屬透鏡結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示，是由在金屬Cr膜上刻蝕的中心啞鈴型通孔和3個(gè)圓環(huán)狹縫組成。外圍3個(gè)圓環(huán)激發(fā)出傳播表面等離子體(Propagating SPs)，啞鈴型通孔激發(fā)局部表面等離子體(Localized SPs)并將傳播表面等離子體轉(zhuǎn)化為局部表面等離子體。因此，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)模式不僅實(shí)現(xiàn)了45 nm(λ/7.89)深亞波長(zhǎng)聚焦光斑(圖9(b))，而且獲得了較大的工作距離與在光刻系統(tǒng)極快掃描時(shí)所需的光通量。在此基礎(chǔ)上，該課題組利用氣浮表面技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了22 nm的光刻分辨率(圖9(c)～(h))。

圖8 蝴蝶結(jié)型平面金屬透鏡結(jié)構(gòu)及其聚焦性能的仿真與實(shí)驗(yàn)。(a)蝴蝶結(jié)型金納米結(jié)構(gòu)。(b)利用蝴蝶結(jié)型納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻實(shí)驗(yàn)的示意圖。(c)實(shí)驗(yàn)與仿真得到的蝴蝶結(jié)型金納米結(jié)構(gòu)陣列光傳輸特性。(d) 仿真計(jì)算的場(chǎng)強(qiáng)分布。(e)蝴蝶結(jié)型平面金屬透鏡實(shí)現(xiàn)的光刻圖形Fig.8 (a,b)Design of a gold bowtie nanostructure and its schematic realization of the photolithographical experiment. (c)Experimental and calculated transmissive spectra of an array of gold bowtie nanostructures. (d)Calculated field intensity patterns. (e)SEM image of the developed positive photoresist after exposing by the array of gold bowtie nanostructures

圖9 復(fù)合結(jié)構(gòu)平面金屬透鏡及其在光刻系統(tǒng)中的應(yīng)用。(a)復(fù)合結(jié)構(gòu)平面金屬透鏡設(shè)計(jì)。(b)仿真得到的透鏡出射場(chǎng)10 nm處x軸上的光強(qiáng)分布。(c)FIB加工的復(fù)合結(jié)構(gòu)表面等離子體透鏡。(d)透鏡出射場(chǎng)10 nm處的光強(qiáng)分布。(e)FIB加工的透鏡陣列。(f)表面等離子體浮動(dòng)磁頭。(g)光刻膠顯影結(jié)果。(h)顯影得到的截面輪廓Fig.9 Plasmonic lens formed by the hybrid nanostructures and its application to high-throughput maskless nanolithography. (a)Design of the plasmonic lens composed of hybrid nanostructures. (b)Simulated light intensity profile at the plane 10 nm away from the lens. (c)SEM picture of the fabricated plasmonic lens. (d)Field intensity distribution. (e)SEM image of an array of the designed plasmonic lens. (f)A flying head containing the plasmonic lens. (g)AFM image of the developed photoresist, and (h)its cross-sectional profile showing the resolution approaching to 22 nm

3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦的平面金屬透鏡

雖然近場(chǎng)表面等離子體平面金屬透鏡較好地突破了衍射極限，并且取得了很好的應(yīng)用效果，不過(guò)由于工作距離比較短，在實(shí)際應(yīng)用中依然比較難于控制。因此，近年來(lái)，遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦的表面等離子體透鏡在國(guó)際上得到了廣泛研究。本文中主要闡述兩種典型的遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦平面金屬透鏡，即十字形通孔式與納米狹縫式表面等離子體透鏡。

3.2.1 相互獨(dú)立納米狹縫式平面金屬透鏡

國(guó)際上許多科研小組對(duì)此類(lèi)表面等離子體透鏡展開(kāi)了廣泛而深入的研究。2005年，中科院成都光電所的杜春雷、羅先剛等人利用TM極化光在金屬納米狹縫中的EOT效應(yīng)與金屬/介質(zhì)/金屬(MIM)波導(dǎo)理論，分析了光在納米狹縫中傳輸時(shí)的傳播常數(shù)Re(β)(圖10(a))，進(jìn)而得到了納米狹縫的相位延遲Re(βd)，并根據(jù)幾何光學(xué)的等光程原理(波前重構(gòu))，設(shè)計(jì)了基于變寬度納米狹縫陣列的表面等離子體透鏡(圖10(b))，其中工作波長(zhǎng)λ=650 nm，設(shè)計(jì)焦距為0.6 μm[14]。圖10(c)為利用時(shí)域有限差分方法(Finite-difference time domain,FDTD)仿真得到的該透鏡光場(chǎng)z方向上的坡印廷矢量分布圖，據(jù)此得到透鏡仿真焦距為0.8 μm，與設(shè)計(jì)值有0.2 μm差異，存在一定焦移；另一方面，焦深超過(guò)0.6 μm，焦點(diǎn)半高寬(FWHM)約為0.42λ。

圖10 (a)光在納米狹縫中傳播常數(shù)與狹縫寬度之間的關(guān)系。(b)納米狹縫式平面金屬透鏡設(shè)計(jì)原理。(c)FDTD仿真得到的透鏡聚焦性能。工作波長(zhǎng)為650 nmFig.10 (a)Dependence of propagation constant on slit width. (b)Schematic of the plasmonic lens formed by a nanoslit array in a silver film. (c)FDTD calculated result of the normalized Poynting Vector Szfor a designed lens

2009年，斯坦福大學(xué)的S.Fan等人利用FIB刻蝕技術(shù)研制出了納米狹縫式表面等離子體透鏡[15]，如圖11(a)所示。此透鏡由金膜上加工的納米狹縫陣列構(gòu)成，透鏡設(shè)計(jì)焦距20 μm，工作波長(zhǎng)637 nm，金膜厚度400 nm，狹縫間距200 nm，狹縫寬度從中心的80 nm逐漸增加到邊緣的150 nm。圖11(b)為共聚焦顯微鏡測(cè)得的透鏡光強(qiáng)分布，與頻域有限差分方法(Finite-difference frequency domain, FDFD)仿真結(jié)果(圖11(c))十分吻合。實(shí)驗(yàn)得到的器件實(shí)際焦距5.3 μm，焦深6.2 μm，焦點(diǎn)半高寬(FWHM)約為1.38λ。從測(cè)試結(jié)果可以看出：該透鏡聚焦能力未能突破衍射極限的限制，同時(shí)，透鏡實(shí)際焦距與設(shè)計(jì)值相差很大，存在較大偏移。

圖11 (a)基于FIB技術(shù)加工的納米狹縫式平面金膜透鏡，金膜厚度為400 nm。(b)共聚焦顯微鏡測(cè)得的透鏡聚焦性能。(c)FDFD仿真得到的透鏡聚焦性能。(d)與(e)透鏡焦點(diǎn)半高寬與焦距的仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.11 (a)Geometry of the lens consisting of a 400 nm thick gold film(yellow) with nanoslits of different widths milled therein on a fused silica substrate. (b)Focusing pattern measured by the confocal scanning optical microscopy(CSOM). (c)FDFD simulated focusing pattern. Simulated(dashed blue line) and CSOM measured(solid red line) light intensity in cross sections of the focus along the x direction(d) and z direction(e)

2011年，虞益挺等人研究了透鏡尺寸對(duì)透鏡聚焦性能的影響(如表1所示)，并結(jié)合衍射效應(yīng)，分析了焦移存在的內(nèi)在機(jī)理，解決了焦移問(wèn)題，并為該類(lèi)型透鏡設(shè)計(jì)提供了參考性建議[17]。研究結(jié)果表明：為了使透鏡的實(shí)際焦距與設(shè)計(jì)值相近，透鏡總相位差應(yīng)不小于2π。另一方面，基于焦移理論，利用可調(diào)微機(jī)械狹縫調(diào)控透鏡的入射光范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面等離子體透鏡聚焦性能的主動(dòng)控制[18]。如圖12所示，當(dāng)狹縫寬度分別為2.55、4.48、6.14、7.80 μm時(shí)，透鏡焦距最終分別為2.42、3.54、4.77和4.96 μm。

表1 透鏡尺寸對(duì)設(shè)計(jì)焦距為3 μm透鏡聚焦性能的影響

圖12 (a)利用可調(diào)微機(jī)械狹縫實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離子體透鏡聚焦性能主動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)～(e)狹縫寬度分別為2.55，4.48，6.14，7.80 μm時(shí)的透鏡光場(chǎng)分布。工作波長(zhǎng)為650 nm，透鏡設(shè)計(jì)焦距為5 μmFig.12 (a)Schematic of an active plasmonic lens with a micromechanical tunable pinhole located ahead of the plasmonic lens. FDTD simulated electric-field intensity for the plasmonic lens with different pinhole width w′: (b)w′=2.25 μm, (c)w′=4.48 μm, (d)w′=6.14 μm, (e)w′=7.80 μm. The operating wavelength is 650 nm and the designed focal length for the plasmonic lens is 5 μm

3.2.2 十字形通孔式平面金屬透鏡

該類(lèi)型表面等離子體透鏡是由在金屬薄膜上刻蝕的十字形通孔陣列構(gòu)成[12]，如圖13(a)所示。陣列中十字形通孔呈軸對(duì)稱(chēng)，通孔中心間距與寬度w固定不變，長(zhǎng)度l可變。

圖13 (a)十字形通孔式平面金屬透鏡。其中，陣列中十字形通孔呈軸對(duì)稱(chēng)，通孔中心間距與寬度w固定不變，長(zhǎng)度l可變。(b)透過(guò)率以及(c)光在十字形通孔中傳輸?shù)南辔谎舆t與入射光波長(zhǎng)和通孔幾何形狀之間的關(guān)系Fig.13 (a)Schematic of a planar plasmonic lens formed by the cross-shaped aperture arrays of periodicity p in a thin silver film. The symmetric aperture has a fixed arm-width, w, and a spatially modulated arm length, l. (b)Transmittance and (c) phase variation of light passing through an array of cross-shaped apertures in a silver film as a function of wavelength and arm length of the crosses

光在十字形通孔中的傳輸特性與十字形通孔的幾何形狀密切相關(guān)，如圖13(b)和13(c)所示。在一定工作波長(zhǎng)下，光的相位延遲取決于十字形通孔的幾何尺寸，因此，可以通過(guò)控制幾何尺寸來(lái)調(diào)控光在十字形通孔中傳輸?shù)南辔谎舆t。類(lèi)似于相互獨(dú)立納米狹縫式表面等離子體透鏡，利用波前重構(gòu)理論，合理選擇不同位置的十字形通孔的幾何尺寸，從而構(gòu)建出十字形通孔陣列的表面等離子體透鏡。

圖14 (a)與(b)分別為設(shè)計(jì)焦距15 μm與25 μm的十字形通孔式平面金屬銀透鏡。(c)和(d)分別為兩個(gè)透鏡y-z平面光強(qiáng)分布。工作波長(zhǎng)為850 nmFig.14 (a) and (b) SEM images of the fabricated cross-shaped aperture silver lens devices with the designed focal length fd=15 μm and 25 μm, respectively. (c) and (d)Experimentally measured axial light intensity profile(on the y-z plane) for the lenses with fd=15 μm and 25 μm, respectively. The samples were illuminated by the 850 nm wavelength

圖14(a)和14(b)分別所示的是，利用FIB技術(shù)加工的設(shè)計(jì)焦距分別為15 μm與25 μm的十字形通孔式平面金屬銀透鏡，圖14(c)和14(d)分別為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩個(gè)透鏡光場(chǎng)分布。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出：對(duì)于設(shè)計(jì)焦距為15 μm的金屬銀透鏡，其出射面的光強(qiáng)最大，并且光強(qiáng)隨著傳播距離增大而逐漸減小，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的聚焦效果；而對(duì)于設(shè)計(jì)焦距為25 μm的金屬銀透鏡，光強(qiáng)最大值出現(xiàn)在距離透鏡出射面22 μm處，其與焦距設(shè)計(jì)值比較接近，存在一定焦移；另一方面，透鏡焦斑尺寸約為2.3 μm，遠(yuǎn)大于工作波長(zhǎng)850 nm，因此該平面金屬銀透鏡并未能實(shí)現(xiàn)超分辨聚焦。

3.2.3 耦合納米狹縫式平面金屬透鏡

之前報(bào)道的相互獨(dú)立納米狹縫式表面等離子體透鏡都是基于獨(dú)立MIM波導(dǎo)理論來(lái)研究的，即相鄰狹縫的光場(chǎng)之間沒(méi)有耦合。然而，這種獨(dú)立波導(dǎo)理論只適合于相鄰狹縫間距大于2倍金屬趨膚深度的情形。

為了獲得更好的聚焦效率和更精細(xì)的波前構(gòu)造，虞益挺課題組系統(tǒng)地研究了耦合納米狹縫式表面等離子體透鏡[22]。圖15(a)所示的是在金膜中兩相鄰納米狹縫結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)相鄰狹縫間距小于兩倍金屬趨膚深度時(shí)，兩狹縫中的光場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生耦合。此時(shí)，獨(dú)立波導(dǎo)理論并不能準(zhǔn)確反應(yīng)光在納米狹縫中的傳輸，特別是作為構(gòu)建狹縫式表面等離子體透鏡的關(guān)健參數(shù)，即納米狹縫的相位延遲。由于這種耦合效應(yīng)，光在一狹縫中的傳輸不僅取決于本身結(jié)構(gòu)，而且還取決于相鄰狹縫寬度及金屬隔墻厚度。

圖15 (a)相鄰納米狹縫(slit-1與slit-2)結(jié)構(gòu)示意圖。w1與w2分別為狹縫slit-1與狹縫slit-2的寬度，s為兩狹縫間距。(b)狹縫slit-2對(duì)slit-1相位延遲影響規(guī)律，其中，兩狹縫金屬間距為30 nm。(c)～(e)狹縫slit-1、slit-2和金屬隔墻中坡印廷矢量分布。(c)w1=20 nm, w2=40 nm; (d)w1=20 nm, w2=30 nm; (e)w1=10 nm, w2=20 nmFig.15 (a)Schematic of two coupled nanoslits in a 400 nm thick gold film. (b)Effect of slit-2 on the phase delay of slit-1, the gold spacing s is 30 nm. (c)～(e)Poynting vector in the two nanoslits and the gold wall between them is 30 nm. (c)w1=20 nm, w2=40 nm. Light in slit-1 propagates backwards at the exit of the structure. (d)w1=20 nm, w2=30 nm. Light can normally pass through slit-1. (e)w1=10 nm, w2=20 nm. The optical transmission in slit-1 is locally off

對(duì)于特定厚度的金屬隔墻，光在狹縫中的傳播特性取決于兩狹縫的狹縫寬度。圖15(b)所示的是FDTD計(jì)算的不同寬度狹縫slit-1的相位延遲隨著狹縫slit-2寬度的變化情況，其中金屬隔墻厚度s=30 nm，工作波長(zhǎng)λ=650 nm。從圖15(b)中可以看到：狹縫slit-1寬度越小，其相位延遲越容易受到相鄰狹縫的影響。特別地，對(duì)于狹縫寬度為20 nm的狹縫slit-1，當(dāng)狹縫slit-2的寬度從32 nm變化到100 nm時(shí)，光在狹縫slit-1的傳播沒(méi)有連續(xù)地從狹縫中傳輸?shù)姜M縫出口的介質(zhì)中，而是在出口處傳播方向與入射光的傳播方向相反(如圖15(c))，此時(shí)相位延遲定義為π；而當(dāng)狹縫slit-2寬度小于30 nm時(shí)，光可以從狹縫中連續(xù)地傳輸?shù)姜M縫出口的介質(zhì)中(如圖15(d))；對(duì)于狹縫寬度為10 nm的狹縫slit-1，當(dāng)狹縫slit-2的寬度從18 nm變化到100 nm時(shí)，光在狹縫中的傳輸出現(xiàn)了局部中斷(如圖15(e))，這種情況相位延遲定義為-π。這兩種反常的光傳輸嚴(yán)重影響了狹縫的相位延遲特性，因此，在透鏡設(shè)計(jì)中，應(yīng)該予以避免。同時(shí)，通過(guò)圖15(b)也可以看到，在以下幾種情況下，相鄰狹縫slit-2對(duì)狹縫slit-1相位延遲的影響比較?。?/p>

(a)狹縫slit-1寬度比較大；

(b)狹縫slit-2與slit-1寬度比較接近。

另一方面，狹縫slit-2對(duì)slit-1相位延遲的影響與兩者之間的金屬隔墻厚度密切相關(guān)，因?yàn)榻饘俑魤穸葲Q定著狹縫間光場(chǎng)的耦合強(qiáng)度。金屬隔墻厚度越大，耦合強(qiáng)度越弱，slit-2對(duì)狹縫slit-1的相位延遲影響越小。

如圖16所示，當(dāng)金屬隔墻厚度大于2倍趨膚深度(60 nm)時(shí)，狹縫slit-1可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的相位調(diào)節(jié)，避免了s=30 nm時(shí)的反常光傳輸?shù)拇嬖凇?/p>

圖16 金屬隔墻對(duì)狹縫slit-1的相位延遲影響。其中，w1=10 nm，w2=60 nmFig.16 Change of the phase delay of slit-1 with the gold spacing between slit-1 and slit-2. w1=10 nm, w2=60 nm

當(dāng)狹縫之間的耦合對(duì)狹縫相位延遲影響不大時(shí)，狹縫的相位延遲可以利用周期性金屬波導(dǎo)陣列的對(duì)稱(chēng)模式理論來(lái)預(yù)測(cè)單個(gè)狹縫的相位延遲，也就是Re(β)t，其中傳播常數(shù)β由根據(jù)式(1)確定的金屬色散關(guān)系求得[30]。如果這種影響較大時(shí)，該種預(yù)測(cè)方法是不可靠的，例如反常的光傳輸現(xiàn)象的存在。

cos(wk1)cos(sk2)-

圖17 不同金屬隔墻的周期性波導(dǎo)陣列中狹縫相位延遲與狹縫寬度之間的關(guān)系。t=400 nmFig.17 Dependence of phase delay on the nanoslit width. t=400 nm

狹縫的相位延遲隨著本身寬度的增加而減小，隨著狹縫間金屬隔墻寬度增加而增加。由于金屬隔墻寬度決定著相鄰狹縫光場(chǎng)相互耦合程度，隨著它的增大，耦合效應(yīng)減小，狹縫相位延遲受其影響也逐漸減小，并最終趨向于獨(dú)立狹縫的相位延遲特性。

在設(shè)計(jì)耦合納米狹縫式表面等離子體透鏡時(shí)，首先可以按照周期性波導(dǎo)理論預(yù)測(cè)的相位延遲來(lái)設(shè)計(jì)透鏡，然后再利用FDTD仿真分析的相鄰狹縫對(duì)狹縫相位延遲影響規(guī)律來(lái)優(yōu)化透鏡，從而設(shè)計(jì)出所需要的透鏡。如圖18所示，是基于不同工作介質(zhì)設(shè)計(jì)的耦合納米狹縫式表面等離子體透鏡及其FDTD仿真得到的光場(chǎng)分布[31]。其中，金屬厚度為400 nm，入射光波長(zhǎng)λ為650 nm，透鏡設(shè)計(jì)焦距為0.3 μm。表2給出了各個(gè)透鏡具體的聚焦性能。從圖18與表2中可以看出：3個(gè)透鏡焦距仿真值與設(shè)計(jì)值非常吻合，焦移很小，并且都實(shí)現(xiàn)了超分辨聚焦；同時(shí)，介質(zhì)折射率越大，透鏡可以更小尺寸實(shí)現(xiàn)更小焦斑，不過(guò)光在狹縫中傳輸損耗也在增加。

圖18 基于不同工作介質(zhì)設(shè)計(jì)的表面等離子體透鏡，(a)透鏡工作介質(zhì)為空氣，(b)透鏡工作介質(zhì)折射率為1.5，(c)透鏡工作介質(zhì)折射率為2,(d)～(f)分別為圖18(a)～(c)中透鏡聚焦性能Fig.18 Plasmonic lenses working in different refractive-index dielectrics for the designed focal length of 0.3 m at a wavelength of 650 nm, (a)lens working in air, (b)lens working in a dielectric with refractive index equal to 1.5, (c)lens working in a dielectric with refractive index equal to 2, (d)～(f) focusing performance for the lenses in Fig.18(a)～18(c), respectively

工作介質(zhì)折射率透鏡孔徑FWHM/nm最大光強(qiáng)/a．u．11．852250(λ/2．60)2．68441．51．394176(λ/3．69)3．767821．152134(λ/4．85)1．2994

另一方面，這種透鏡的超分辨聚焦能力與透鏡焦距、透鏡尺寸以及工作波長(zhǎng)密切相關(guān)[31]。透鏡聚焦能力隨著透鏡孔徑的增大而增強(qiáng)(圖19(a)，19(b))；隨著透鏡焦距的增大，焦點(diǎn)尺寸(FWHM)也在增大(圖19(c))；更短工作波長(zhǎng)可以形成更小焦斑，然而，其也會(huì)引起更大能量損耗，導(dǎo)致透鏡聚焦效率比較低(圖20)。

圖19 (a)透鏡焦點(diǎn)半高寬FWHM與透鏡尺寸之間的關(guān)系。(b)透鏡尺寸對(duì)透鏡焦點(diǎn)光強(qiáng)的影響。(c)透鏡焦距對(duì)焦點(diǎn)半高寬FWHM的影響Fig.19 (a)Dependence of the focal spot size on the lens aperture. (b)Effect of the lens aperture on light intensity. (c)Effect of the focal length on the focal spot size

圖20 (a)工作波長(zhǎng)為650 nm的耦合納米狹縫式平面金屬透鏡。(b)工作波長(zhǎng)為405 nm的平面金屬透鏡。(c)和(d)分別為兩個(gè)透鏡光場(chǎng)分布，其中，透鏡設(shè)計(jì)焦距為0.3 μmFig.20 (a)Lens operating at 650 nm. (b) Lens operating at 405 nm. (c), (d)Focusing performance for the lenses in Fig.20(a) and Fig.20(b), the designed focal length is 0.3 μm

相關(guān)透鏡的研制工作已經(jīng)展開(kāi)，圖21(a)所示是最近利用FIB技術(shù)加工的油浸納米狹縫式平面金膜透鏡，其中，工作波長(zhǎng)為532 nm，透鏡設(shè)計(jì)焦距1.5 μm。圖21(b)和21(c)分別為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的該透鏡聚焦性能，透鏡焦距為1.52 μm，透鏡焦點(diǎn)FWHM=180 nm≈λ/2.96，有效突破了衍射極限。從圖21(b)可以看到：透鏡的旁瓣比較大，因此，透鏡設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖21 (a)FIB技術(shù)加工的納米狹縫式平面金膜透鏡。(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的透鏡出射場(chǎng)光場(chǎng)分布。(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的焦點(diǎn)大小Fig.21 (a)A plasmonic lens consisting of an array of nanoslits in a gold film fabricated by FIB. (b)Measured Focusing pattern. (c)Measured focal spot size

除了利用表面等離子體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦與成像之外，作為另一種平面金屬透鏡—超振蕩透鏡(super-oscillatory lens，SOL)也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦與成像，如圖22所示[32]，該超振蕩透鏡實(shí)現(xiàn)了λ/4.6的成像分辨率。虞益挺課題組基于超振蕩(super-oscillation)現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，利用遺傳算法對(duì)平面金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的超振蕩透鏡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超振蕩透鏡光場(chǎng)的精確調(diào)控(包括焦距、焦深以及焦點(diǎn)半高寬FWHM等聚焦參數(shù))[33]。不過(guò)，對(duì)于超振蕩透鏡而言，目前報(bào)道的透鏡FWHM值都在λ/3左右，很難實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑，這與理論的可任意小存在巨大差距，內(nèi)在機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

圖22 超振蕩透鏡超分辨成像 (a)超振蕩透鏡，(b)～(c)仿真計(jì)算的透鏡光場(chǎng)分布。(d)和(e)分別為112 nm寬狹縫及其超振蕩透鏡成像結(jié)果。(f)兩目標(biāo)狹縫，(g)和(h)分別為兩狹縫的超振蕩透鏡成像與傳統(tǒng)顯微鏡成像結(jié)果對(duì)比Fig.22 Subwavelength imaging by a super-oscillatory lens(SOL). (a)SEM image of the SOL. (b)calculated energy distribution of the lens at 10.3 μm. (c)Enlarged focal point, λ=640 nm. (d)SEM image of a 112 nm slit, and (e)image by SOL. A double slit (f) and its SOL image (g). (h)Image of the same double slit is not resolved using a conventional lens of NA=1.4

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，基于表面等離子體的平面金屬透鏡已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，克服了傳統(tǒng)光學(xué)透鏡衍射極限以及曲面形狀的限制，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，諸如集成光學(xué)、超分辨成像、超高分辨率光刻技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域。近場(chǎng)平面金屬透鏡不僅實(shí)現(xiàn)了超高分辨成像與聚焦，而且在實(shí)際的成像系統(tǒng)以及無(wú)掩膜光刻技術(shù)中得到了很好應(yīng)用。

不過(guò)，近場(chǎng)平面金屬透鏡的工作距離比較短，在實(shí)際應(yīng)用中還比較難于控制；同時(shí)，光在金屬中傳輸時(shí)存在較大損耗，透鏡聚焦效率比較低，因此，該類(lèi)型透鏡還需要從工作距離與效率上做進(jìn)一步改進(jìn)。另一方面，遠(yuǎn)場(chǎng)平面金屬透鏡實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦，工作距離可以比較大，克服了近場(chǎng)平面金屬透鏡工作距離短的局限性。然而，這類(lèi)透鏡聚焦分辨率沒(méi)有近場(chǎng)平面金屬透鏡高，國(guó)際上尚缺少相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，因此，相關(guān)研究工作還有待于研究者深入展開(kāi)。

另一方面，透鏡陣列，作為一類(lèi)重要光學(xué)器件，在CCD圖像傳感器、顯示器以及光刻技術(shù)等領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。然而不同于傳統(tǒng)透鏡，由于表面等離子體平面金屬透鏡尺度在波長(zhǎng)量級(jí)，受衍射效應(yīng)影響較大，當(dāng)透鏡間距在波長(zhǎng)量級(jí)或者更小時(shí)，陣列中透鏡光場(chǎng)會(huì)相互耦合并影響各自的聚焦性能[34]，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得期望的使用效果，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)表面等離子體透鏡陣列。

總之，為了真正達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，需要進(jìn)一步研究如何更加有效地將高頻倏逝波轉(zhuǎn)換成傳播波，并使其參與成像，從底層物理機(jī)制上，利用納米結(jié)構(gòu)或者納米顆粒實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的精細(xì)化調(diào)控。此外，納米加工技術(shù)還需要不斷改進(jìn)，加工出與設(shè)計(jì)完美匹配的亞100 nm尺度的納米結(jié)構(gòu)。

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Planar plasmonic lenses and their applications

ZHU Ye-chuan1,2, YUAN Wei-zheng1,2, YU Yi-ting1,2 *

(1.KeyLaboratoryofMicro/NanoSystemsforAerospace,MinistryofEducation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China； 2.KeyLaboratoryofMicro-andNano-Electro-MechanicalSystemsofShaanxiProvince,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China)

*Correspondingauthor,E-mail:yyt@nwpu.edu.cn

The imaging resolution of conventional optical lenses is generally restricted to half the incident wavelength by the diffraction limit due to the decay of evanescent waves. Planar metallic lenses based on surface plasmons offer the possibility to overcome this limit by the enhancement of evanescent waves which carrying detailed feature information of object. In this paper, the structural design, physical mechanism and focusing performance of two types of typical planar metallic lenses are reviewed. Moreover, the existing problems in this imaging technology are discussed. Because there is a certain loss when the light propagates in the metal, how to more effectively enhance the high frequency evanescent wave signal and convert it to propagation wave which can participate in the imaging in order to better achieve the far-field super-resolution imaging, and how to further increase the ultra high resolution near-field focal depth of focusing spot and reduce size of the far-field focusing spot, are further research focuses of the surface plasmonic planar metallic lenses.

surface plasmons;planar plasmonic lenses;super-resolution imaging and focusing

2016-10-24；

2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51375400, No.51622509)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃；全國(guó)優(yōu)秀博士論文作者專(zhuān)項(xiàng)資金(No.201430)；西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金(No.CX201606) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.51375400, No.51622509); Program for the New Century Excellent Talents in University, Specific Project for the National Excellent Doctorial Dissertations(No.201430); Innovation Foundation for Doctor Dissertation of Northwestern Polytechnical University(No.CX201606)

2095-1531(2017)02-0149-15

O436.3； O441.4

A

10.3788/CO.20171002.0149

朱業(yè)傳(1982—)，男，安徽六安人，博士研究生，主要從事基于微納結(jié)構(gòu)的超分辨聚焦與成像方面的研究。E-mail：yechuanzhu_30@hotmail.de

虞益挺(1980—)，男，浙江寧波人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微/納光學(xué)、多光譜成像、超衍射極限聚焦、超靈敏生化檢測(cè)等方面的研究。E-mail：yyt@nwpu.edu.cn