能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔及其制備方法和應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能量聚焦的耦合光子?等離激元微腔及其制備方法和應用。本發(fā)明采用耦合層連接Bragg納米微腔和金屬表面等離激元透鏡形成耦合光子?等離激元微腔，在耦合層的作用下，波導模式和表面等離激元模式相互作用，形成耦合光子?等離激元模式，從而能量聚焦在Bragg納米微腔中心；通過蝴蝶結納米天線和磁振子，有效地將局域在Bragg納米微腔中的能量耦合到蝴蝶結納米天線或者磁振子中，并極大地提高了蝴蝶結納米天線中的電場強度和磁振子中的磁場強度；并且本發(fā)明的耦合光子?等離激元微腔能夠用于單分子拉曼光譜檢測裝置，分子表面增強紅外吸收光譜檢測裝置，光刻微加工中的納米點光源，以及折射率傳感器或者生物傳感器。
【專利說明】
能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔及其制備方法和應用
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及微納尺度光學器件，具體涉及一種能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]目前，表面等離激元SPP電磁場聚焦，主要是通過設計金屬結構或者調(diào)整入射光源將產(chǎn)生的SPP匯聚實現(xiàn)能量聚焦。但是，在SPP聚焦過程中，金屬結構吸收損耗比較大，即品質(zhì)因子Q較小，而且，入射光源利用率不高。此外，如何將聚焦的能量進一步從金屬結構中耦合出來加以利用也是一大難點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明旨在通過親合環(huán)形電介質(zhì)布拉格(Bragg)納米微腔和金屬表面等離激元透鏡，形成耦合光子-等離激元納米微腔，以克服單獨金屬聚焦結構能量損耗較大、單獨光子晶體結構局域電磁場能力較弱的缺點。
[0004]本發(fā)明的一個目的在于提出一種能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔。
[0005]本發(fā)明的能量聚焦的親合光子-等離激元微腔包括:Bragg納米微腔、親合層和金屬表面等離激元透鏡;其中，Bragg納米微腔由中心電介質(zhì)圓柱和外圍兩種不同折射率的等高同心電介質(zhì)圓環(huán)交替排列形成的Bragg層構成，兩種電介質(zhì)圓環(huán)的折射率以及環(huán)的寬度滿足Bragg反射條件;金屬表面等離激元透鏡包括金屬襯底以及在襯底上的中心金屬圓柱和外圍周期性排列的等高同心金屬圓環(huán);Bragg納米微腔和金屬表面等離激元透鏡之間通過耦合層連接，并且填充表面等離激元透鏡金屬圓環(huán)之間的空隙;入射波為線偏振平面波，垂直入射至親合光子-等離激元微腔，入射波電場Eo分解為方位角分量Ecc和徑向分量Er，入射波磁場Ho分解為方位角分量Ha和徑向分量Hr ；入射波首先在Bragg納米微腔作用下發(fā)生衍射，轉(zhuǎn)換成面內(nèi)波導模式，波導模式利用了入射波電場方位角分量Ea和磁場徑向分量Hr，波導模式在兩種電介質(zhì)同心環(huán)的界面處發(fā)生反射，向Bragg納米微腔的中心傳播并聚焦;透過Bragg納米微腔的入射波，在金屬表面等離激元透鏡的作用下，轉(zhuǎn)換成表面等離激元SPP模式，SPP模式利用了入射波電場徑向分量Er和磁場方位角分量Ha，SPP模式向金屬表面等離激元透鏡的中心傳播并聚焦;在耦合層的作用下，波導模式和表面等離激元模式相互作用;通過調(diào)節(jié)耦合層的折射率和厚度，使得波導模式和表面等離激元模式耦合最強，最終形成了親合光子-等離激元模式，將能量聚焦在Bragg納米微腔中心。
[0006]Bragg納米微腔包括中心電介質(zhì)圓柱和外圍兩種不同折射率的同心電介質(zhì)圓環(huán)，同心電介質(zhì)圓環(huán)的周期在600?1600nm之間，高度在100?200nm之間。通過調(diào)節(jié)電介質(zhì)圓環(huán)的折射率和寬度，使得波導模式在兩種電介質(zhì)的界面發(fā)生反射時滿足Bragg反射條件。中心電介質(zhì)圓柱的材料與兩種同心電介質(zhì)圓環(huán)中的一種相同。
[0007]親合層采用電介質(zhì)材料，例如二氧化娃;親合層的上表面高出同心金屬圓環(huán)上表面的距離為L，通過調(diào)節(jié)距離L和耦合層的折射率，使得波導模式和表面等離激元模式耦合最強；距離L在10?300nm之間。
[0008]金屬表面等離激元透鏡包括金屬襯底以及在襯底上的中心金屬圓柱和外圍同心金屬圓環(huán)，襯底采用金或銀；中心圓柱和金屬圓環(huán)采用金或銀。金屬圓環(huán)的周期為SPP波長的整數(shù)倍，金屬圓環(huán)的周期在400?1200nm之間，高度在40?60nm之間。
[0009]在實際應用中，本發(fā)明的耦合光子-等離激元微腔可以和其他納米結構進一步耦合，將耦合光子-等離激元微腔中的能量耦合出來，實現(xiàn)巨大的電場、磁場增強。本發(fā)明給出了兩種典型的納米結構，分別為增強電場的蝴蝶結納米天線和增強磁場的磁振子，放置在Bragg納米微腔的上表面中心。蝴蝶結納米天線由一對金屬等邊三角形構成，磁振子由金屬-電介質(zhì)-金屬圓柱三明治結構構成，蝴蝶結納米天線或者磁振子與耦合光子-等離激元微腔耦合，能夠進一步有效地將聚焦能量耦合到蝴蝶結納米天線或者磁振子中，能量被局域在幾十甚至幾個納米范圍。蝴蝶結納米天線的邊長在50?500nm之間，高度在5?20nm之間，倒角在O?1nm之間，中間的間隙在3?20nm之間。圓柱狀的磁振子的直徑在100?300nm之間，每一層高度在30?10nm之間。
[0010]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔的制備方法。
[0011]本發(fā)明的能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔的制備方法，包括以下步驟:
[0012]I)提供襯底，襯底采用金或銀；
[0013]2)在襯底上制備中心金屬圓柱和周期性排列的同心金屬圓環(huán)，形成金屬表面等離激元透鏡，金屬圓環(huán)采用金或銀。
[0014]3)在金屬表面等離激元透鏡的上表面填充耦合層，耦合層填充金屬表面等離激元透鏡的同心金屬圓環(huán)之間的空隙，并且上表面高出同心金屬圓環(huán)的上表面；
[0015]4)在耦合層上制備中心電介質(zhì)圓柱以及兩種不同折射率交替排列的電介質(zhì)同心圓環(huán)，形成Bragg納米微腔。
[0016]本發(fā)明的又一目的在于提供一種能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔用作單分子拉曼光譜檢測裝置，分子表面增強紅外吸收光譜檢測裝置，光刻微加工中的納米點光源，以及折射率傳感器或者生物傳感器的用途。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0018]本發(fā)明采用親合層連接Bragg納米微腔和金屬表面等離激元透鏡形成親合光子-等離激元微腔，在耦合層的作用下，波導模式和表面等離激元模式相互作用，形成耦合光子-等離激元模式，從而將能量聚焦在Bragg納米微腔中心;通過與其他納米結構親合，例如蝴蝶結納米天線和磁振子，可以有效地將局域在Bragg納米微腔中的能量親合到蝴蝶結納米天線或者磁振子中，并極大地提高了蝴蝶結納米天線中的電場強度和磁振子中的磁場強度。在應用方面:(I)本發(fā)明極大地提高了聚焦電場、磁場的強度，形成一個能量聚焦結構，通過與其他納米結構耦合，例如蝴蝶結納米天線和磁振子，可以進一步將能量耦合到蝴蝶結納米天線或者磁振子中，極大地提高了聚焦電、磁場的強度，有利于聚焦電場、磁場的應用，例如提高單分子拉曼光譜檢測的靈敏度和分子表面增強紅外吸收光譜檢測的靈敏度；
(2)在耦合光子-等離激元微腔上設置蝴蝶結納米天線，能夠?qū)⒛芰烤劢沟綆讉€納米范圍，電場增強(|E/Eq| )可達3000以上，在光刻微加工上，可將聚焦點作為納米點光源，在納米器件上加工出幾個納米尺度的結構；(3)本發(fā)明對于外部環(huán)境折射率變化非常敏感，可以制成折射率傳感器或者生物傳感器。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔的示意圖，其中，(a)為立體圖，(b)為剖面圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔的Bragg納米微腔的俯視圖；
[0021]圖3為本發(fā)明的能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔的金屬表面等離激元透鏡的俯視圖；
[0022]圖4為線偏振平面波在耦合光子-等離激元微腔作用下耦合模式的電場和磁場分布圖，其中，(a)為電場分布圖，(b)為磁場分布圖；
[0023]圖5為本發(fā)明的蝴蝶結納米天線的示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為側視圖；
[0024]圖6為本發(fā)明的磁振子的示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為側視圖；
[0025]圖7(a)為將蝴蝶結納米天線放在耦合光子-等離激元微腔上表面中心的示意圖，圖7 (b)為將磁振子放在耦合光子-等離激元微腔上表面中心的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。
[0027]實施例一
[0028]在本實施例中，入射光波長為850nm。如圖1所示，本實施例的耦合光子-等離激元微腔包括:Bragg納米微腔1、親合層2和金屬表面等離激元透鏡3;其中，中心電介質(zhì)圓柱和夕卜圍兩種不同折射率交替排列的電介質(zhì)同心圓環(huán)構成Bragg納米微腔I，兩種電介質(zhì)圓環(huán)的折射率以及圓環(huán)寬度滿足Bragg反射條件;金屬表面等離激元透鏡3包括襯底以及在襯底上的中心金屬圓柱和外圍周期性排列的同心金屬圓環(huán);Bragg納米微腔和金屬表面等離激元透鏡之間通過耦合層連接，耦合層2填充同心金屬圓環(huán)之間的空隙，并且上表面高出同心金屬圓環(huán)的上表面的距離為L。
[0029 ] 如圖2所示，Bragg納米微腔包括中心電介質(zhì)圓柱13和兩種不同折射率的同心電介質(zhì)圓環(huán)11和12，周期為700nm。第一種同心電介質(zhì)圓環(huán)采用二氧化娃Si02，Bragg納米微腔的中心為第一種電介質(zhì)的電介質(zhì)圓柱13，直徑為160nm，高度為150nm，第一種同心電介質(zhì)圓環(huán)11的寬度為450]11]1，高度為150111]1。第二種同心電介質(zhì)圓環(huán)采用二氧化鈦1102，第二種同心電介質(zhì)圓環(huán)12的寬度為250nm，高度為150nmo
[0030]親合層2采用Si02;親合層的上表面高出同心金屬圓環(huán)的表面距離L為15nm。
[0031]如圖3所示，金屬表面等離激元透鏡3包括襯底31以及在襯底上的同心金屬圓環(huán)32，襯底31采用銀;金屬圓環(huán)32采用銀，高度為50nm，周期為500nm，寬度為200nm，最內(nèi)部的金屬圓柱采用銀，直徑為330nm，高度為50nm，最內(nèi)部中心圓柱和最內(nèi)部金屬圓環(huán)之間的距離為160nm。
[0032]線偏振平面波首先在Bragg納米微腔作用下發(fā)生衍射，轉(zhuǎn)換成面內(nèi)波導模式，波導模式利用了入射波電場方位角分量Ea和磁場徑向分量Hr，波導模式在兩種電介質(zhì)同心環(huán)的界面處發(fā)生反射，向Bragg納米微腔的中心傳播、聚焦。透過Bragg納米微腔的入射波，在金屬表面等離激元透鏡的作用下，轉(zhuǎn)換成表面等離激元SPP模式，SPP模式利用了入射波電場徑向分量Er和磁場方位角分量Ha，SPP向金屬表面等離激元透鏡的中心傳播、聚焦。波導模式和表面等離激元SPP模式相互作用形成了耦合光子-等離激元模式，耦合模式的電場和磁場分布圖如圖4(a)和(b)所不。
[0033]蝴蝶結納米天線4或者磁振子5，放置在Bragg納米微腔的上表面的中心，如圖7所示。如圖5所示，蝴蝶結納米天線的材料為金，形狀為等邊三角形，邊長為80nm，高為10nm，倒角為5nm，間隙為4nm。如圖6所示，磁振子5采用金屬-電介質(zhì)-金屬的圓柱三明治結構，金屬采用金，電介質(zhì)采用二氧化鈦T12，金的高度為80nm，二氧化鈦高度為40nm，金和二氧化鈦直徑均為125nm。
[0034]將蝴蝶結納米天線或者磁振子放在耦合光子-等離激元微腔上表面中心，如圖7所示，當線偏振平面波垂直入射時(對于蝴蝶結納米天線，入射光偏振方向平行于天線長軸)，可以將聚焦在Bragg微腔中的能量進一步親合到蝴蝶結納米天線或者磁振子中，能夠?qū)⒛芰烤劢沟綆资踔翈讉€納米范圍。經(jīng)過耦合，蝴蝶結納米天線中的電場或者磁振子中的磁場都得到極大的增強，入射波長為850nm時，蝴蝶結納米天線中的電場強度(|E/Eq| )和磁振子中的磁場強度(|H/HQ|)可以分別達到3000和200以上。
[0035]實施例二
[0036]在本實施例中，入射光波長為ieSOnnuBragg納米微腔包括的兩種不同折射率的同心電介質(zhì)圓環(huán)的周期為1400nm; Bragg納米微腔的中心的第一種電介質(zhì)的電介質(zhì)圓柱13的直徑為400nm;第一種同心電介質(zhì)圓環(huán)11的寬度為900nm;第二種同心電介質(zhì)圓環(huán)12的寬度為500nm。親合層2的上表面高出同心金屬圓環(huán)的表面距離L為250nm。金屬表面等離激元透鏡3的金屬圓環(huán)32的周期為100nm，寬度為400nm，最內(nèi)部的金屬圓柱的直徑為700nm，；最內(nèi)部中心圓柱和最內(nèi)部金屬圓環(huán)之間的距離為300nm。其他同實例一。
[0037]在本實施例的能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔上放置的蝴蝶結納米天線的尺寸參數(shù)如下:邊長為400nm，高為10nm，倒角為5nm，間隙為5nm。放置的磁振子的尺寸參數(shù)如下:金的高度為80nm，二氧化鈦高度為40nm，金和二氧化鈦直徑均為270nmo
[0038]入射波長為1620nm時，蝴蝶結納米天線中的電場強度(E/Eo )和磁振子中的磁場強度(I H/Ho I)可以分別達到2000和400以上。
[0039]最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【主權項】
1.一種能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述耦合光子-等離激元微腔包括:Bragg納米微腔、親合層和金屬表面等離激元透鏡;其中，Bragg納米微腔由中心電介質(zhì)圓柱和外圍兩種不同折射率的等高同心電介質(zhì)圓環(huán)交替排列形成的Bragg層構成，兩種電介質(zhì)圓環(huán)的折射率以及環(huán)的寬度滿足Bragg反射條件;金屬表面等離激元透鏡包括金屬襯底以及在襯底上的中心金屬圓柱和外圍周期性排列的等高同心金屬圓環(huán);Bragg納米微腔和金屬表面等離激元透鏡之間通過耦合層連接，并且填充表面等離激元透鏡金屬圓環(huán)之間的空隙；入射波為線偏振平面波，垂直入射至耦合光子-等離激元微腔，入射波電場E0分解為方位角分量Ea和徑向分量Er，入射波磁場Ho分解為方位角分量Hcc和徑向分量Hr ;入射波首先在Bragg納米微腔作用下發(fā)生衍射，轉(zhuǎn)換成面內(nèi)波導模式，波導模式利用了入射波電場方位角分量Ea和磁場徑向分量Hr，波導模式在兩種電介質(zhì)同心環(huán)的界面處發(fā)生反射，向Bragg納米微腔的中心傳播并聚焦;透過Bragg納米微腔的入射波，在金屬表面等離激元透鏡的作用下，轉(zhuǎn)換成表面等離激元SPP模式，SPP模式利用了入射波電場徑向分量Er和磁場方位角分量Ha，SPP模式向金屬表面等離激元透鏡的中心傳播并聚焦;在耦合層的作用下，波導模式和表面等離激元模式相互作用;通過調(diào)節(jié)耦合層的折射率和厚度，使得波導模式和表面等離激元模式耦合最強，最終形成了耦合光子-等離激元模式，將能量聚焦在Bragg納米微腔中心。2.如權利要求1所述的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述耦合光子-等離激元微腔與蝴蝶結納米天線或者磁振子耦合，將耦合光子-等離激元微腔中的能量耦合出來，所述蝴蝶結納米天線或者磁振子放置在Bragg納米微腔的上表面中心。3.如權利要求1所述的親合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述Bragg納米微腔的外圍同心電介質(zhì)圓環(huán)，周期在600?1600nm之間，高度在100?200nm之間。4.如權利要求1所述的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述耦合層采用電介質(zhì)材料;耦合層的上表面高出同心金屬圓環(huán)上表面的距離為L，通過調(diào)節(jié)距離L和耦合層的折射率，使得波導模式和表面等離激元模式耦合最強;距離L在10?300nm之間。5.如權利要求1所述的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述金屬表面等離激元透鏡的襯底采用金或銀;中心圓柱和金屬圓環(huán)采用金或銀。6.如權利要求1所述的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述金屬表面等離激元透鏡的金屬圓環(huán)的周期為SPP波長的整數(shù)倍，金屬圓環(huán)的周期在400?1200nm之間，高度在40?60nm之間。7.如權利要求2所述的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述蝴蝶結納米天線由一對金屬等邊三角形構成;所述蝴蝶結納米天線的邊長在50?500nm之間，高度在5?20nm之間，倒角在O?1nm之間，中間的間隙在3?20nm之間。8.如權利要求2所述的耦合光子-等離激元微腔，其特征在于，所述磁振子由金屬-電介質(zhì)-金屬圓柱三明治結構構成；圓柱狀的磁振子的直徑在100?300nm之間，每一層高度在30?I OOnm之間。9.一種能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟: 1)提供襯底，襯底采用金或銀； 2)在襯底上制備中心金屬圓柱和周期性排列的同心金屬圓環(huán)，形成金屬表面等離激元透鏡，金屬圓環(huán)采用金或銀。 3)在金屬表面等離激元透鏡的上表面填充親合層，親合層填充金屬表面等離激元透鏡的同心金屬圓環(huán)之間的空隙，并且上表面高出同心金屬圓環(huán)的上表面； 4)在耦合層上制備中心電介質(zhì)圓柱以及兩種不同折射率交替排列的電介質(zhì)同心圓環(huán)，形成Bragg納米微腔。10.—種如權利要求1所述的能量聚焦的耦合光子-等離激元微腔用作單分子拉曼光譜檢測裝置，分子表面增強紅外吸收光譜檢測裝置，光刻微加工中的納米點光源，以及折射率傳感器或者生物傳感器的用途。
【文檔編號】H01Q15/02GK105911621SQ201610356961
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】侯玉敏, 李偉
【申請人】北京大學