电介质通过独特电介质的超级透镜进行超分辨率宽带成像翻译

通过独特电介质的超级透镜进行超分辨率宽带成像

Xuefeng Yang,Yao Liu, Junxian Ma, Jianhua Cui,Hui Xing,Wei Wang,Changtao Wang,and Xiangang Luo.State Key Laboratory of Optical Technologies for

Microfabrication, Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of

SciencesAdvanced Technology Research Center,Shenzhen University摘要 显示出具有独一无二的介质称为“独一无二的超透镜” UMSL的超透镜可以在宽频率范围内实现超分辨率成像。宽带UMSL包括具有适当设计厚度的介电金属—电介质层。数值模拟表明 由于UMSL结构的两种波导模式的存在可以提高由金属和电介质的不匹配介电常数导致的成像缺陷。超分辨率成像的频带和质量主要由两种模式决定这两种模式在宽的横向波数范围内提供了传输的倏逝波的幅度和相位调制。

1介绍

在2000年 P endry[1]首先在数学上提出并推导出可以用一个薄的负折射介质[2] NRM实现完美的透镜超透镜。对于TM偏振光在静电极限下具有负介电常数的金属板具有从平板底侧到顶面的倏逝波宽带的基本输送能力。蔡等人提出了一种基于金属-电介质复合膜的可调谐超薄膜其可以在可见光和近红外范围内实际地在所需波长下操作[4]。最近使用银超透镜[5-6]和单晶SiC超透镜[7]实验证明了超过衍射极限的分辨率的光学成像。然而这些超薄都是基于超导体和被围绕的电介质在工作波长处具有匹配的介电常数(Re(m)≈-d)的条件其中m表示金属的介电常数 d是电介质。这将限制其应用程序 因为在某些情况下现实世界中的合适材料是有限的。最近有一些作品被归结为金属介电常数与介电不匹配的情况[8-11]。Wang等人报道即使金属和电介质的介电常数不匹配也可以获得亚波长成像但是当有效横向介电常数趋于零或垂直介电常数趋近无穷大时就会发生亚波长成像[11]。 B loe mer等人最近设计了一种具有金属介电光子带隙结构的宽带超透镜其基于一系列强耦合金属电介质法布里-珀罗腔[10]。在基于以下工作的基础上似乎存在另一种可以获得宽带超透镜效应的简单得多的结构的替代方案。在本文中我们介绍了具有介电金属—介电层结构的无与伦比的超透镜UMSL的演示和分析能够在宽频率范围内

成像亚波长对象。

2独一无二的超透镜

所提出的UMS L结构是如图1所示的介电金属-电介质DMD单层。金属膜由具有相同材料性质和厚度的两个膜包围类似于Pendry[1]最初提出的SL。狭缝源被紧密地定位在透镜与空气的界面处并且在透镜的端面上方的平面上观察图像。 注意在工作波长0下金属和电介质的介电常数不匹配。

图1介电金属-电介质层板结构示意图。该结构在xy平面中无限延伸。在金属—电介质界面处 由于TM波与k>nk0的耦合以及在边界处引起的自由电子的集体激发存在表面等离子体激元SPPs。 金属膜可以通过先前的实验工作证实 SPP可以增强倏逝波[12]。 Drude模型εr(ω)=ε∞-ωp2 [ω(ω+iVc)] -1用于描述金的介电常数其中参数=9.0 p=1.3673 ×1016 rad/s Vc =1.0027×1014 rad/s。 S iC的介电常数指参照[14]。我们首先讨论了在633 nm处具有TM偏振光的空气包围的UMSL(SiC/Au/SiC)的厚度影响。 图2我们计算了具有三种不同S iC厚度10 nm 15 nm和20 nm的各种Au膜厚度的80 nm半间距物体的传递函数。显然 Au的最佳厚度主要取决于光学波长物体周期以及S iC的厚度。随着SiC厚度的减小金的最佳厚度也会降低而相应的透镜的透射率同时增加这与参考文献[5]很符合。考虑到制造限制和成像质量我们选择SiC和Au的厚度分别为15和22 nm。

图2.在光波长为633nm处 TM波的图像传递函数对金属Au厚度具有三种

不同的固定S iC厚度分别为10 nm 15 nm和20 nm。

3数值模拟与讨论

3.1瞬逝波的光传输

UMSL的光传输如图1所示。 作为通过该UMSL的光波长和横向入射波数的函数的图3(a)。 由于金属膜两侧的表面模式之间的耦合可以区分两种表面极化SPP模式。两种模式在特定的光波长约560nm这种情况下具有良好匹配的Au和S iC的介电常数紧密接近。 围绕两种模式色散曲线 Au膜增强了透射中的倏逝波。在图3 a中也示出了在波长带(500 nm-650 nm)内传播波幅度没有明显的抑制或增强。一般来说倏逝波的增强随着横波数的增加而减小。但是存在两个SPP模式的波数位置限制的有效的倏逝波恢复范围。另外值得一提的是可以通过改变电介质和金属的厚度来调整存在倏逝波增强的k的宽带。图中所示的白点线( (1) - (3) )图3(a)分别表示具有110 nm 80 nm和60 nm的半间距的周期物体的一阶波数。成像分辨率和相应的结果将在后面讨论。由于可以在两个SPP模式的周围提高递送对象信息的渐逝波所以相信可以在宽的频率范围内获得解析的图像似乎是合理的。在图3(b)和图3(c)中我们给出了从500 nm到700 nm的六个不同光波长下的透射因子与面内波数的分布以及该UMSL的透射的相位分布。显然在500〜700nm的频率范围内可以获得具有较大增强因子的倏逝波传输对应于160nm的物体间距。人们会天真地认为在该范围内也可以获得具有大于160nm的间距的物体的超分辨率成像。 我们的以下工作表明 由于光的相位调制和吸收的某些原因这是不正确的。