准远场超分辨表面等离子体透镜的高保真制备

Plasmonic nanolithography, being an up-to-date research interest in science community, provides a novel way to overcome the diffraction limit and develop the next-generation lithographic technique with 22 nm resolution and below. This project aims to solve the existing technological drawbacks of the reported plasmonic nanolithography, such as near-field operation, no working distance, and small depth of focus (DOF). Based on the metallic nanorings with variable width, plasmonic lenses are constructed and studied. By the theoretical analysis and numerical simulation, the phase-delay property of surface plasmon polaritons (SPPs) propagating within the metallic nanorings under various situations is investigated, and the phase-coupling mechanism of SPPs between the adjacent two metallic nanorings is uncovered. Then, the plasmonic lenses are designed employing the geometric optics and reconstruction of wavefront. To go beyond the diffraction limit and enable the super-resolution focusing, several means are explored, including decreasing the focal length, enlarging the lens size, choosing an appropriate polarization of the incident plane wave, and developing a high-fidelity nanofabrication process integrating FIB and lift-off. In the end, plasmonic lenses with quasi-far-field, large DOF, and super-resolution focusing performance are realized. This research will greatly increase both the operating distance and lithographic depth of super-resolution plasmonic nanolithography, which is advantageous to make the plasmonic nanolithography practically useful.

表面等离子体纳米光刻为突破衍射极限、发展下一代22nm节点及以下光刻技术提供了一种全新的思路，是当前国际性的前沿研究课题。本项目针对现有的表面等离子体纳米光刻只能工作于近场、无工作距离、焦深浅等技术缺陷，以变宽度金属纳米圆环构建的表面等离子体透镜为研究对象，通过理论分析及数值建模，精确掌握各种情况下表面等离子体极化激元（SPPs）在金属纳米圆环中的相位延迟特性，揭示SPPs在相邻金属纳米圆环中的相位耦合机制，采用几何光学原理，通过波前重构完成表面等离子体透镜的设计，并通过减小透镜焦距、增大透镜尺寸、选择合适的入射光偏振态以及开发高保真的FIB/lift-off集成化纳米加工工艺，探索突破衍射极限、实现超分辨聚焦的新途径，研制出准远场、大焦深、超分辨聚焦的表面等离子体透镜器件。本研究将极大拓展超分辨表面等离子体纳米光刻的工作区域，增大其光刻深度，从而促进超分辨纳米光刻技术向实用化方向发展。

透镜作为一种极其重要的光学成像元件，在人类认识从微观世界到宏观宇宙方面发挥着不可替代的作用。传统折射式透镜因为体积大、质量重、曲面加工困难、难以突破衍射极限等性能缺陷，不适用于未来先进成像系统的发展。基于表面等离激元的超薄平面透镜为解决以上难题提供了新思路。本项目针对现有的表面等离子体透镜只能工作于近场、无工作距离、焦深浅等不足，基于波前重构理论，以金属纳米狭缝阵列构建表面等离子体透镜，深入研究了尺度效应、工作环境、光源偏振态等因素对透镜聚焦性能的影响规律，解决了长期困扰该类透镜设计与研制过程中的焦移难题；揭示了针对耦合纳米狭缝的相位延迟特性，建立了表面等离子体透镜实现准远场超分辨聚集的设计规则；发现了横向电场偏振态下的奇异光传输相位延迟特性，解决了平面金属透镜的加工难题，极大扩展了透镜实现超分辨聚焦的工作波段范围，研制出准远场超分辨聚焦透镜样件，实验测试结果与设计值、仿真值高度吻合；首次提出基于双转弯波导结构的准远场超分辨聚焦平面透镜的设计方法，详细研究了此类波导结构的相位延迟机理。此外，针对远场超分辨聚焦开展了探索性研究，基于超振荡理论，提出了一种多目标多约束优化设计模型，实现了如光针、多焦点、远场超分辨聚焦光斑等任意光场定制，提出了实现该类透镜光轴消色差的优化计算方法，研制出聚焦性能与设计结果一致的远场超分辨透镜样件；同时，针对微尺度透镜阵列的实际应用，基于纳米球光刻技术，提出了一种可圆片级加工制作透镜阵列的工艺流程，仿真与实验研究了相邻透镜的聚焦耦合效应。本项目研究为平面金属透镜及其阵列的工程化应用奠定了理论基础与技术支撑，确立的准远场乃至远场超分辨聚焦透镜的设计方法可极大简化高分辨率光学显微成像系统、纳米光刻系统、集成光电子系统的研发难度，为未来高度集成的单芯片成像系统研制提供了新的技术解决途径。