金属—电介质周期膜结构的亚波长成像

论文摘要

亚波长成像是指器件直接将物光场的远场及近场成分传播到一定距离上并再现物像的功能。具有这种功能的器件由于突破了传统光学元件的衍射限制,成像分辨率可小于入射光的半波长,达到亚波长量级。用金属—电介质周期膜结构在可见光范围获得亚波长成像近期已成为一个研究热点,有望用于提高光印刷术的分辨率。影响金属—电介质周期膜结构亚波长成像强度与分辨率的关键因素是传播场的空间频率范围、透射率模值及相位。本文在研究了材料、结构参数与金属—电介质周期膜结构中传播场空间频率范围的关系,并探讨了金属材料损耗对透射谱的影响。以此为基础,针对该结构在可见光波段亚波长成像进行了参数优化,采用真实的材料参数对成像分辨率进行了数值验证。忽略材料损耗,本文通过求解布洛赫本征方程,确定了金属—电介质周期膜中材料、结构参数与传播场空间频率范围的关系。等效介质理论适用范围随传播场频率范围的增加而增大。并且电介质与金属的介电常数之比越接近于-1,周期厚度越小,传播场空间频率范围越大。在等效介质理论适用范围内,金属—电介质周期膜结构可等效于空间性质均匀的单轴晶体。以此为基础,本文探讨了当金属层占空比取不同值时,金属材料损耗对透射谱的影响。证明在结构中远近场均可传播的前提下,金属占空比最小时透射率模值较高,并且相位平坦,有利于亚波长成像。为减小损耗导致透射率的降低,金属建议选择银,电介质介电常数尽量高,并且工作波长应尽量长。基于对透射谱的讨论,本文优化设计了金属—电介质周期膜在可见光范围亚波长成像的最佳材料、结构和参数。建议采用Ag/GaP的周期膜结构,金属占空比为47.5%,周期厚度小于30nm。通过傅里叶角谱分析方法数值验证,当结构总长度为1μm时,在工作波长545nm处可获得1/10波长的分辨率,此时垂直入射振幅透射率为13%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 负折射与完美透镜
• 1.3 银薄膜的亚波长成像
• 1.4 金属—电介质周期膜结构的提出
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 金属—电介质周期膜结构的色散关系
• 2.1 色散关系的布洛赫理论
• 2.1.1 传输矩阵算法
• 2.1.2 布洛赫本征方程
• 2.2 色散关系的等效介质理论
• 2.2.1 等效介质的介电常数
• 2.2.2 等效介质的色散关系
• 2.3 第一布里渊区带边的色散关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 金属—电介质周期膜结构的透射谱
• 3.1 等效介质平板的总透射率公式
• 3.2 损耗对等效介质色散关系的影响
• 3.3 损耗对等效介质界面反射率的影响
• 3.4 损耗对等效介质平板总透射谱的影响
• 3.5 第一布里渊区带边透射谱的讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 金属—电介质周期膜结构的亚波长成像性质
• 4.1 亚波长成像条件及表征
• 4.2 亚波长成像的角谱分析法
• 4.3 金属—电介质周期膜结构的参数优化
• 4.4 金属—电介质周期膜结构的成像分辨率
• 4.5 周期厚度对成像分辨率的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢