CN101217063A - 一种产生近场纳米光束的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生近场纳米光束的装置，包括第一介质、金属膜层和第二介质，还包括以表面等离子谐振角入射至所述第一介质和所述金属膜层界面并形成干涉的入射光的光源；所述金属膜层的上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷构成的谐振腔和以所述谐振腔为中心周期性排列的由第一凹槽和凸起组成的多个上表面周期结构组成，所述谐振腔和上表面周期结构之间包括第二凹槽。本发明通过入射光以表面等离子谐振角入射至第一介质和具有谐振腔和上表面周期结构的金属膜层界面并形成干涉，使得隐失场干涉模式中的零阶模式在谐振腔中得到增强，而高阶模式被抑制，形成空间局域的近场纳米光束，提高了光场强度，减小了旁瓣的干扰。

Description

一种产生近场纳米光束的装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种产生近场纳米光束的装置。

背景技术

随着光学技术的不断发展，近场光学得到广泛地应用。近场光学主要研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布，基于近场光学技术的光学分辨率可以达到纳米量级，突破了传统光学的分辨率衍射极限。

在近场中存在着一个束缚在表面而不能向外辐射的非辐射场，该非辐射场的波动特征是可以在物体表面传播，而波动的振幅随离开表面距离增加而迅速衰减，衰减的特征长度约为一个波长，该非辐射场被称为隐失场。隐失场随空间距离呈指数衰减，例如截止波导内的电磁波、全内反射时沿材料表面传播的电磁波等都属于隐失场。隐失场中包含了物体精细结构的信息。近场光学的核心问题就是研究和探测隐失场，这样获得的信息可以不受衍射极限的限制(通常为半波长)，达到远远小于波长的分辨率。

获取纳米尺度的光源是近场光学成像、近场探测与操作、近场光谱、纳米光刻以及近场光存储等基于近场光学原理的仪器、系统中的关键技术之一。近十年来具有纳米孔径的镀金属膜光纤探针已被广泛使用，但是，光纤探针的通光效率很低，通常为10^-4～10^-6，并且易受污染和损坏。为了克服这些问题提出了虚拟光探针的概念。一种近场光学虚拟光探针是在两种具有不同折射率的介质界面处设置一个小孔光阑，使得入射角大于临界角的入射光束发生全反射时产生的倏逝场干涉叠加，形成约束光场，该约束光场的中心峰形成近场光学虚拟光探针。其通光效率为10^-2量级，是普通的纳米孔径光纤探针的通光效率的10²～10⁴倍；其光场分布的中间峰的半峰值宽度(即虚拟光探针的尺寸)在波长深度空间范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质间碰撞所造成的损坏。这种近场光学虚拟光探针可以用于近场光学成像、近场光谱探测、近场光学存储、纳米光刻以及近场光学操作等。

在实现本发明过程中，发明人发现采用虚拟探针技术时，其光场强度仍然不能满足实际使用的要求，并且在约束光场的主峰周围存在高阶模式(旁瓣)，其强度在主峰强度的50％以上，对主峰的工作造成了很大影响。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种产生近场纳米光束的装置，以克服现有技术中光场强度低、旁瓣高的缺陷。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种产生近场纳米光束的装置，包括第一介质、金属膜层和第二介质，所述金属膜层的下表面与所述第一介质相接，所述金属膜层的上表面与所述第二介质相接，其中，所述装置还包括以表面等离子谐振角入射至所述第一介质和所述金属膜层界面并形成干涉的入射光的光源；所述金属膜层的上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷构成的谐振腔和以所述谐振腔为中心周期性排列的由第一凹槽和凸起组成的多个上表面周期结构组成，所述谐振腔和上表面周期结构之间包括第二凹槽。

其中，所述金属膜层的俯视面形状为由平行槽或二维点阵构成的阵列结构，或由同心圆环或同心方框构成的以垂直于所述金属膜层表面、穿过所述金属膜层中心的直线为轴的轴对称结构。

其中，所述上表面周期结构的纵剖面轮廓为方波形状或正弦波形状，其周期长度T为表面等离子体波的波长λ_SP的一半。

其中，所述谐振腔的俯视面轮廓为圆形，其直径的长度为0.5T的奇数倍。

其中，所述谐振腔的俯视面轮廓为方形，其长边的长度为0.5T的奇数倍。

其中，所述谐振腔的俯视面轮廓为菱形，其最长的对角线的长度为0.5T的奇数倍。

其中，所述谐振腔的纵剖面轮廓为方形、三角形、梯形、正弦、半圆、半椭圆、双曲线或抛物线中的一种。

其中，所述金属膜层的厚度为40～60nm，所述第一凹槽的深度为10～30nm。

其中，所述第二凹槽的宽度大于所述第一凹槽的宽度，所述第二凹槽的深度大于所述第一凹槽的深度。

其中，所述金属膜层的材料为金或银。

上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：本发明实施例通过入射光以表面等离子谐振角入射至第一介质和具有谐振腔和上表面周期结构的金属膜层界面并形成干涉，使得隐失场干涉模式中的零阶模式在谐振腔中得到增强，而高阶模式被抑制，形成空间局域的近场纳米光束，提高了光场强度，减小了旁瓣的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例的一种产生近场纳米光束的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一的半球镜激发表面等离子体波示意图；

图3是本发明实施例一的金属膜层的纵剖面和俯视面示意图；

图4a是本发明实施例一的装置表面上方不同距离处磁场强度沿y方向变化的曲线图；

图4b是本发明实施例一的装置表面上方不同距离处磁场强度沿x方向变化的曲线图；

图5是本发明实施例二的显微物镜激发表面等离子体波示意图；

图6是本发明实施例二的金属膜层的纵剖面和俯视面示意图；

图7a是本发明实施例二的装置表面上方不同距离处磁场强度沿y方向变化的曲线图；

图7b是本发明实施例二的装置表面上方不同距离处磁场强度沿x方向变化的曲线图；

图8a是本发明实施例三的金属膜层的纵剖面示意图；

图8b是本发明实施例三的装置表面上方不同距离处磁场强度沿y方向变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一种产生近场纳米光束的装置如图1所示，包括第一介质2、金属膜层3、第二介质4和以表面等离子谐振角θ_SP入射至第一介质2和金属膜层3界面并形成干涉的入射光5的光源。其中金属膜层3的下表面与第一介质4相接，金属膜层3的上表面与第二介质4相接，本实施例中第二介质4为空气。

金属膜层3的材料为金或银，厚度为40～60nm，其上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷构成的谐振腔和以所述谐振腔为中心周期性排列的由第一凹槽和凸起组成的多个上表面周期结构组成，所述谐振腔和上表面周期结构之间包括第二凹槽。金属膜层3的俯视图为阵列结构或轴对称结构，图1所示的1为对称轴。其中，所述上表面周期结构的纵剖面轮廓为方波形状，其周期长度T为表面等离子体波的波长λ_SP的一半；也可以为正弦波形状，其周期长度T为表面等离子体波的波长λ_SP的一半。所述谐振腔的俯视面轮廓为圆形、方形或菱形中的一种；为圆形时，其直径的长度为0.5T的奇数倍；为方形时，其长边的长度为0.5T的奇数倍；为菱形时，其最长的对角线的长度为0.5T的奇数倍。所述谐振腔的纵剖面轮廓为方形、三角形、梯形、正弦、半圆、半椭圆、双曲线或抛物线中的一种。所述第一凹槽的深度为10～30nm，而第二凹槽的宽度大于第一凹槽的宽度，第二凹槽的深度大于第一凹槽的深度。该上表面可以由电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学刻蚀、光刻等方法加工而成。

本发明主要利用了表面等离子晶体对表面等离子体波的控制作用，其中该表面等离子晶体为表面制备了周期结构的金属膜层，而沿该金属膜层表面传播的表面等离子体波将受到周期结构的强烈作用。当周期结构的周期长度T为表面等离子体波的波长λ_SP的一半时，该周期结构将对表面等离子体波产生布拉格反射，使表面等离子体波在周期结构中形成两种驻波，其能量分别集中在周期结构的金属材料和第二介质中，这使得两种驻波具有相同的波矢和不同的频率，从而在表面等离子体波的色散曲线上产生频率带隙。频率处于带隙中的表面等离子体波不能在该周期结构中传播，因此具有该频率的波被抑制。

当入射光5以表面等离子谐振角θ_SP的角度入射到第一介质2和金属膜层3界面时，其隐失场将在金属膜层3和第二介质4的界面处激发出表面等离子体波。该表面等离子体波的波长与入射光的入射角、入射光波长、第一介质、第二介质及金属材料参数之间的关系为

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{SP}}=\mathrm{Re}\left\{\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SP}}}\right\}=\mathrm{Re}\left\{\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right)}^{1/2}\right\}$

其中ε_d为第一介质的介电系数，ε₀为第二介质(本实施例中为空气)的介电系数，ε(ω)为金属的介电系数，θ_SP为表面等离子谐振角，λ为入射光波长，λ_SP为表面等离子体波的波长，Re表示取实部。其中ε_d＞ε₀，ε(ω)随入射光的波长不同而变化；表面等离子谐振角θ_SP由入射光波长与第一介质、第二介质和金属的介电系数确定。本实施例中，入射光5可以采用两束以上的单色平行光，也可以采用单色空心光锥。其中空心光锥是通过环形光束经大数值孔径的聚焦物镜聚焦于介质表面形成。所用的环形光束由环形光阑获得，可以是磁场垂直于传播方向的线偏振光，也可以是电场沿半径方向振荡的径向偏振光。表面等离子谐振角θ_SP可通过调节环形光阑对光束进行空间滤波获得。

当金属膜层3的谐振腔的尺寸与被抑制的表面等离子体波满足布拉格反射条件时，在周期结构中本不能传播的波将被完全约束在谐振腔处产生谐振。因此，在金属膜层3和第二介质4界面上激发的表面等离子体波在表面等离子晶体中不能传播，而只能局域在其中的谐振腔里。布拉格反射条件由下式表达：

$L=\frac{2n+1}{4}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SP}},(n=\mathrm{1,2,3}......)$

其中L为谐振腔的尺寸，λ_SP为表面等离子体波的波长。

由于耦合了电荷密度的振荡，所以表面等离子体波具有场增强的特性，又由于谐振腔的约束作用，从而使谐振腔里的光场具有高强度、高局域、低发散角、低旁瓣的特点，其中图1中的6为金属膜层3表面的光场分布，其光场被局域在谐振腔中，场强高于入射光场的强度，光斑尺寸在一定范围内可保持不变。对于金属膜层3表面的光场分布，可通过时域有限差分方法对图1所示的装置进行仿真计算获得。计算中入射光5采用单色激光，根据单色激光的波长以及金属和介质的材料参数可以计算出激发的表面等离子体波的波长，从而确定金属膜层3的周期结构的周期和谐振腔的几何参数。将整个所需计算的三维空间均匀的划分为Nx×Ny×Nz个网格单元，每个单元格沿坐标轴方向的空间步长分别为Δx、Δy、Δz；入射光波为p偏振(磁场沿x轴方向)，以θ_SP为入射角入射到第一介质和金属界面处，且入射光场的强度是均匀的，为1V/m。

本发明所述装置产生的光场强度可增强到入射光场强度的50倍以上；其光斑尺寸可达到0.33λ，超过衍射极限；光束发散角在波长深度空间范围内保持在2.08°左右，将工作距离从探针形近场光源的10～50nm扩展到50～600nm；高阶模式强度可抑制到7％以下，减小了旁瓣杂光的干扰。

实施例一，本实施例为利用半球镜激发表面等离子体波。半球镜激发表面等离子体波的示意图如图2所示，金属膜层10的下表面与半球镜9相接，金属膜层10的上表面与空气相接。

本实施例中，半球镜9的材料采用折射率n＝1.5163的K9玻璃，金属膜层10为厚度为50nm的金膜，两束波长为632.8nm的单色激光7、8以表面等离子谐振角θ_SP的角度入射到半球镜9与金膜10的界面上，在金膜与空气界面上激发出两束相向传播的表面等离子体波，在金膜表面谐振干涉形成隐失干涉场。

金属膜层10的上表面周期结构为同心方框，谐振腔形貌为菱形的结构。其纵剖面和俯视面如图3所示，其中11为上表面周期结构，其纵剖面为方波形状，周期长度T为表面等离子波长λ_SP的1/2；第一凹槽的深度为20nm，宽度为表面等离子波长λ_SP的0.25倍。12为谐振腔，其俯视面轮廓为菱形，最长的对角线长度为周期长度T的1.5倍。13为第二凹槽，其边缘与谐振腔最近的距离为周期长度T的0.6倍，深度为35nm。

调整入射激光的位置使得表面等离子干涉场的零级干涉峰恰好处于谐振腔中，从而得到局域增强，而高阶干涉模式则受到表面等离子晶体的抑制作用而减弱。利用时域有限差分方法进行模拟计算，可获得在距离装置表面不同位置处的yz、xz截面的光场磁场强度的分布，分别如图4a、图4b所示。可以明显看到：光场中央产生了一个主峰，其最大强度为入射电场强度的32倍；主峰的半峰值宽度为208nm(～0.33λ)，超过衍射极限；主峰周围的高阶模式(即旁瓣)强度被抑制到6％以下。这些特性使得光场分布形成强度高、发散角小、旁瓣弱的纳米光柱，形成近场纳米光束。

实施例二，本实施例为利用显微物镜激发表面等离子体波。显微物镜激发表面等离子体波的示意图如图5所示，金属膜层20的下表面与盖玻片19相接，金属膜层20的上表面与空气相接。

本实施例中，金属膜层20为厚度为60nm的金膜，盖玻片19的折射率为n＝1.514，波长为632.8nm的单色激光14经过环形光阑15后成为空心光束16，进入显微物镜17，经聚焦后成为空心光锥18。环形光阑的尺寸决定了空心光锥的入射角，因此通过调整环形光阑，使空心光锥入射角为表面等离子谐振角θ_SP，聚焦于该器件表面。显微物镜选用Leica的油浸物镜，数值孔径为1.1。

金属膜层20的上表面周期结构为同心圆环，谐振腔俯视图形貌为圆形的结构。其纵剖面和俯视面如图6所示，其中22为上表面周期结构，其纵剖面为方波形状，周期长度T为表面等离子波长λ_SP的1/2；第一凹槽的深度为25nm，宽度为表面等离子波长λ_SP的0.25倍。23为谐振腔，其俯视面轮廓为圆形，直径为周期长度T的1.5倍。24为第二凹槽，其内径与外径的距离为周期长度T的0.5倍，深度为50nm。

盖玻片19经折射率匹配油(折射率为1.52)21与显微物镜17连接，从而使激光能够以大于临界角的角度入射聚焦，并通过盖玻片19在金膜20表面激发出向各个方向传播的表面等离子体波，经干涉形成隐失干涉场。

调整盖玻片19的位置使得表面等离子干涉场的零级干涉峰恰好处于谐振腔中，从而得到局域增强，而高阶干涉模式则受到表面等离子晶体的抑制作用而减弱。经模拟计算，得到距离装置表面不同位置处的yz、xz截面的光场磁场强度的分布，分别如图7a、图7b所示。可以明显看到：光场沿z轴呈轴对称分布，这与入射光的偏振态有关；光场中央产生了一个主峰，其强度为入射电场强度的37倍，主峰的半峰值宽度为208nm(～0.33λ)，超过衍射极限；主峰周围的高阶模式(即旁瓣)强度被抑制到4％以下，所形成的近场纳米光束比实例一具有更好的特性，这是由于圆环结构和入射光束的各向同性导致的。在该纳米约束光场的近场范围内(50～600nm)，可以实现近场成像、近场光学数据存储、近场光谱激发与探测，以及近场光刻等操作。

实施例三，本实施例中，金属膜层的下表面与第一介质相接，金属膜层的上表面与空气相接。其中，第一介质为石英片，折射率n＝1.4643，金属膜层为厚度为40nm的银膜，入射光为波长为470nm的单色激光。

金属膜层的纵剖面示意图如图8a所示，其中25为上表面周期结构，其纵剖面为正弦波形状，周期长度T为表面等离子波长λ_SP的1/2；第一凹槽的深度为10nm。26为谐振腔，其长度为周期长度T的0.5倍。27为第二凹槽，其深度为30nm。经模拟计算得到距离表面等离子晶体表面不同位置处的yz截面的光场磁场强度的分布，如图8b所示。可以看到光场中央主峰的强度为入射光场强度的33倍，主峰的半峰值宽度为116nm(～0.25λ)，超过衍射极限；主峰两侧的高阶模式(即旁瓣)强度被抑制到5％以下。

在上述实施例中，通过入射光以表面等离子谐振角θ_SP入射至第一介质和具有谐振腔和上表面周期结构的金属膜层界面并形成干涉，使得隐失场干涉模式中的零阶模式在谐振腔中得到增强，而高阶模式被抑制，形成空间局域的近场纳米光束，提高了光场强度，减小了旁瓣的干扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种产生近场纳米光束的装置，包括第一介质、金属膜层和第二介质，所述金属膜层的下表面与所述第一介质相接，所述金属膜层的上表面与所述第二介质相接，其特征在于，

所述装置还包括以表面等离子谐振角入射至所述第一介质和所述金属膜层界面并形成干涉的入射光的光源；

所述金属膜层的上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷构成的谐振腔和以所述谐振腔为中心周期性排列的由第一凹槽和凸起组成的多个上表面周期结构组成，所述谐振腔和上表面周期结构之间包括第二凹槽。

2.如权利要求1所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述金属膜层的俯视面形状为由平行槽或二维点阵构成的阵列结构，或由同心圆环或同心方框构成的以垂直于所述金属膜层表面、穿过所述金属膜层中心的直线为轴的轴对称结构。

3.如权利要求2所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述上表面周期结构的纵剖面轮廓为方波形状或正弦波形状，其周期长度T为表面等离子体波的波长λ_SP的一半。

4.如权利要求3所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述谐振腔的俯视面轮廓为圆形，其直径的长度为0.5T的奇数倍。

5.如权利要求3所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述谐振腔的俯视面轮廓为方形，其长边的长度为0.5T的奇数倍。

6.如权利要求3所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述谐振腔的俯视面轮廓为菱形，其最长的对角线的长度为0.5T的奇数倍。

7.如权利要求3所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述谐振腔的纵剖面轮廓为方形、三角形、梯形、正弦、半圆、半椭圆、双曲线或抛物线中的一种。

8.如权利要求1所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述金属膜层的厚度为40～60nm，所述第一凹槽的深度为10～30nm。

9.如权利要求8所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述第二凹槽的宽度大于所述第一凹槽的宽度，所述第二凹槽的深度大于所述第一凹槽的深度。

10.如权利要求1至9任一项所述产生近场纳米光束的装置，其特征在于，所述金属膜层的材料为金或银。

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