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1、合肥工业大学电子科学与应用物理学院 School of Electronic Science & Applied Physics, Hefei University of Technology,金属介质复合结构的色散特性研究,答辩人： 专业：应用物理 学号： 指导老师：,框架,研究的背景和意义 本文主旨 理论基础 表面等离子体 光在多层薄膜内的传播特性 光学传递函数的推导 实验过程 多层交替金属-电介质薄膜结构与成像示意图 平面超透镜的成像过程分析 小结 谢辞,研究的背景和意义,一直以来，衍射极限的存在对传统透镜的分辨率都起到一定的限制作用，现今人们已经不再满足传统透镜的成像质量，关于超越衍射
2、极限的研究越来越受到广大学者们的关注。 前苏联的物理学家V.G.Veselago于1968年提出负折射材料的概念，即介电常数和磁导率都为负值的材料，成功引起了英国物理学家J.B.Pendry的兴趣。Pendry在此基础上于2000年提出“完美透镜”的概念，即具有负折射率的金属薄膜可以完美成像，使得这种被埋没了30多年的负折射材料重现科学界。后来人们还发现即使磁导率不为负值金属膜也能增强倏逝波，就此拉开了利用非磁性金属来实现超分辨成像的序幕。,经过人们的不断努力，已经先后从理论和实验上提出和验证了平面的superlens和曲面的hyperlens可以实现近场和远场超分辨成像。超分辨技术的迅速发展
3、对现代纳米加工工艺、光刻技术和生物探测技术等起着重要的推动作用。,J.B.Pendry,英国物理学家，出生于1943年7月4日，毕业于剑桥大学，闻名于世的著作有“完美透镜”理论、超材料、隐形斗篷等，获得的奖项有英国皇家学会院士、狄拉克奖、艾萨克牛顿奖章等,本文主旨,本论文的主要内容是利用导波光学的传递矩阵的方法推导金属电介质复合结构的等效介质理论和色散方程，具体分析、计算和讨论了在不同波长的条件下 多层膜的色散特性，还有金属银层厚对传播函数的影响。为利用该结构实现光学超分辨成像、纳米光刻等应用提供重要理论参考。,理论基础,表面等离子体,光在多层薄膜内的传播特性,光学传递函数的推导,表面等离子体
4、,多层金属-电介质薄膜交替结构之所以具有超衍射特性，是因为金属和电介质的交替处存在着一种表面等离子体激元，它能与物体激发的高频信息也就是倏逝波耦合，从而能在多层膜中传递到远场，通过传统的光学系统分辨。因为在传输过程中高频信息并没有完全损耗掉，所以能达到超越衍射极限的分辨率。,光在多层薄膜内的传播特性,右边是多层金属-电介质复合结构的透射系数曲线图。图中蓝色线、绿色线、红色线分别代表多层膜等效介质的介电常数均为正值、异号和均为负值时的透射系数曲线。,从图中我们可以看出当kx大于k0时，蓝色线呈指数下降，绿色线下降的速度缓和许多，而红色线有着一系列近似周期性的波峰，其幅度在逐渐减小。这说明只要选择
5、合适的金属与电介质材料组成多层膜结构，就能使倏逝波也具有很好的传播能力，从而实现超分辨成像。,对于多层薄膜系统而言，薄膜前后之间的电磁场关系由总的传输矩阵M表示，而总的传输矩阵等于每层薄膜的特征矩阵的乘积。这里我们利用传递矩阵的方法来推导光学传递函数。 单层膜的特征矩阵为：,设mj表示第j层薄膜的特征矩阵，则,光学传递函数的推导,从第一层膜开始一直递推到最后一层膜（第k层膜）可以得到：,所以总的膜系透射系数为：,实验过程,多层交替金属-电介质薄膜结构与成像示意图,平面超透镜的成像过程分析,多层交替金属-电介质薄膜结构与成像示意图,上图中左边的是多层膜的结构示意图，右边为成像示意图。这种互相交替
6、的多层金属和电介质薄膜周期性结构，通过金属和电介质的介电常数匹配，既可以增强倏逝波成分，有能减弱金属内部由于欧姆热损失造成的吸收效应，从而实现超分辨成像。,平面超透镜的成像过程分析,这三幅图是波长为365nm的光分别入射到金属银层厚为20nm、25nm和30nm时的传波函数曲线图。,从这三幅图中我们发现，此时能传播的波不仅有传播波，还有高频分量即倏逝波。随着金属银的层厚逐步增加，不管是传播波还是倏逝波的透射系数都明显减小，高频分量还伴随着大幅度向左边方向移动的现象。 由此可知，在电介质的层厚给定时，金属银的层厚会影响透过率函数的峰值和峰值所对应的高频分量。随着层厚的增加，不管是传播波还是倏逝波
7、都能明显的被抑制通过，传递函数曲线带宽也明显变窄，这将不利于高频滤波。,上面的两幅图分别是365nm的波入射该结构单缝和双缝时的超衍射成像图。光在多层介质内的传播几乎垂直于介质表面直线射出，这说明该结构能实现近场超分辨成像。,该图为365nm的波在银层厚25nm、电介质20nm的多层薄膜中的磁场分布图，图中场强近似左右对称，说明透过双缝的波不会互相干扰，能完美成像。,下面我们再来看看波长为532nm的光入射时的传播函数。,图中三幅图分别代表了光入射到银层层厚为20nm、25nm和30nm时的光学传递函数。,从图中我们发现，当532nm的光入射时只有高频分量通过，也就是说传播波所携带的信息被丢失
8、掉，虽然能采集到倏逝波所携带的精细信息，但不完整，不能实现完美成像。 随着银层层厚的增加，透射系数明显降低，整体向中间靠拢，但移动幅度不是很大，这显示出较好的高通滤波特性，我们可以利用该特性制作出较好的窄带空间滤波器。,下面两幅图分别是波长为365nm和532nm射入银层25nm、电介质20nm厚的多层结构时的透过率函数。,显然不同的波长入射同一结构中的透过率不同，前者既有传播波又有高频波通过，而后者只有高频分量，且高频分量集中在不同的区域。,波长分别为365nm和532nm的波在多层薄膜中的超衍射成像图,从图中的衍射成像中可以发现，波长为365nm时光垂直于多层结构表面直线射出，适合超分辨成
9、像；而532nm时光成一较大夹角射出，夹角中间部分还发生了干涉现象，在中间形成一个亮纹。可以想象，当光经过一个光栅再射入时定能在该薄膜内形成驻波场。,小结,确定的多层金属-电介质复合结构要实现超分辨成像也只能射入一定波长的波，否则会出现不同的成像规律。 金属层层厚的增加会影响到透过率函数的峰值和峰值所对应的高频分量，对高频分量的抑制尤为明显。 近年来超透镜深受广大学者的关注，所取得的成果也很多，但仍面临着许多困难和挑战。迄今为止，在超透镜成像中，目标物体必须在透镜的近场，才能保证透镜在接收到倏逝波时没有完全衰减完。另外超分辨成像系统还涉及到金属的共振，避免不了固有损失，不能实现真正意义上的完美成像。超分辨成像还有待于进一步研究。,致谢,感谢老师的悉心指导，同学的热心帮助和父母的支持鼓励。 感谢诸位老师参与本学生的毕业答辩！,Thanks!,
