CN102243337B - 高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件 - Google Patents

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Abstract

一种高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件。该光学器件由微三棱柱阵列和二维纳米金属阵列构成，微光学阵列能够将单束入射的平面波转化成两束交叉传播的平面波，这两束光相互干涉并在特定传播距离产生强电磁场分布，利用该强电磁场照射二维纳米金属阵列，可高效率地激发表面等离子体。同时改变微三棱柱阵列底面三角形的光入射边上的高与光入射边的比值
Figure 2011101978465100004DEST_PATH_IMAGE001
，能够实现对入射光波位相分布和传播方向的调制。本发明提供了小型紧凑的表面等离子体激发器件，可以提高表面等离子体的激发效率和透射率，从而实现高灵敏度的表面等离子体共振传感和表面增强拉曼传感。在无标记、快速、高空间分辨和高灵敏度单分子检测和诊断技术领域具有重要的应用价值。

Description

高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件
技术领域
本发明属于光学和光电技术领域，涉及微纳米光学器件、激光光束整形和表面等离子体激发，特别是一种用于产生两束交叉传播的平面波的微三棱柱阵列。
背景技术
利用光波照射金和银等贵金属纳米结构产生表面等离子体，在纳米传感和成像等领域具有重要的应用价值。入射光和表面等离子体的转化效率是制约该方法用于纳米传感和测量灵敏度提高的瓶颈问题。当前，主要利用TM偏振的正入射的平面波和透镜聚焦的光束照射金属纳米结构，这些光仅有一部分满足表面等离子体的激发条件，因此转化效率较低。利用满足激发条件的斜入射平面波可以提高入射光和表面等离子体的转化效率，当前国内外主要利用单束斜入射平面波提高转化效率，其产生的表面等离子体在金属纳米结构上分布不对称。
发明内容
本发明目的是解决表面等离子体激发效率较低以及单光束斜入射时表面等离子体空间分布不对称的问题，提供一种微三棱柱阵列和二维纳米金属阵列构成的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件。
本发明提供的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件，由微三棱柱阵列和二维纳米金属阵列构成，微三棱柱阵列用于将入射的单束平面波光束转化成两束斜交叉传播的平面波，微三棱柱阵列中各三棱柱底面三角形的光入射边的长度为                                                
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE001
，该边长到对应顶点的高为
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE002
，微三棱柱阵列的周期为
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE003
，且
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE004
，和
Figure 714776DEST_PATH_IMAGE001
在微纳米量级；二维纳米金属阵列中的每个二维纳米金属结构的中心正对微三棱柱阵列中每个微三棱柱的顶点，二维纳米金属阵列的宽度为
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE005
，厚度为
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE006
，宽度和厚度在纳米量级，二维纳米金属阵列的周期和微三棱柱阵列的周期相同，二维纳米金属阵列置于微三棱柱阵列产生的强电磁场
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE007
处，
Figure 215028DEST_PATH_IMAGE007
为微三棱柱阵列产生的强电磁场到三棱柱底面三角形的光入射边的距离。
所述的微三棱柱阵列，其单个微三棱柱的透射函数为：
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE008
                                       (1)
而整个微三棱柱阵列的透射函数为：
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE009
                                     (2)
其中
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE010
为微三棱柱阵列和二维纳米金属阵列所在的三维坐标系，其坐标原点为微三棱柱阵列光入射底面的中心，
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE011
轴是阵列的排列方向，
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE012
轴是阵列的展开方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
轴是光入射和传播的方向，
Figure 71863DEST_PATH_IMAGE001
和分别是微三棱柱阵列底面三角形的光入射边的长度和该边长到对应顶点的高度，
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE014
是微三棱柱阵列材料的折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
是阵列中微三棱柱的个数，
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE016
，入射光的电场
Figure DEST_PATH_IMAGE017
沿
Figure 907150DEST_PATH_IMAGE011
方向。
所述的微三棱柱阵列形成的两束光相互干涉并在特定传播位置形成强电磁场分布，的位置由下式确定：
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE018
                               (3)
其中：，
Figure 367453DEST_PATH_IMAGE014
是微三棱柱阵列材料的折射率。
所述的微三棱柱阵列为具有微纳米特征尺寸的等腰三角形作为底面的三棱柱周期性排列构成的阵列。
改变微三棱柱阵列底面三角形的光入射边上的高与光入射边的比值
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE020
的大小，能够实现对入射光波位相分布和传播方向的调制。
所述的二维纳米金属阵列为纳米金属狭缝、纳米金属脊、纳米金属光栅或纳米金属槽构成的阵列结构。
所述的照射源是紫外光、可见光、红外光或太赫兹波。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的微三棱柱阵列可以将入射的单束平面波激光束转化成两束斜交叉传播的平面波，这两束光相互干涉并在特定传播距离产生强电磁场分布，利用该强电磁场照射纳米金属狭缝、纳米金属脊、纳米金属光栅和纳米金属槽等二维纳米金属阵列，可以高效率地激发表面等离子体，从而大幅度提高纳米金属结构的透射系数和表面增强，突破现有表面等离子体激发器件中入射光和表面等离子体转换效率较低的技术瓶颈。
本发明提供了小型紧凑的表面等离子体激发器件，可以提高表面等离子体的激发效率和透射率，从而实现高灵敏度的表面等离子体共振传感和表面增强拉曼传感系统及仪器的小型化。
在无损、无标记、快速、多通道、高空间分辨和高灵敏度单分子检测和诊断技术领域具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1是微三棱柱阵列和二维纳米金属阵列构成的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件结构图。
图2是微三棱柱阵列的立体结构图。
图3是微三棱柱阵列提高的贵金属纳米缝阵列的透射。
图中：1. 微三棱柱阵列  2. 二维纳米金属阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进一步说明如下：
本发明中微三棱柱阵列1的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：
（1）    利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光并通过显影制作出微三棱柱阵列结构；
（2）    利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将微三棱柱阵列转移到光学玻璃上。
本发明中纳米金属缝等二维纳米金属阵列2的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：
（1）    利用对向靶直流磁控溅射方法在半导体或玻璃衬底上溅射金或银等贵金属纳米膜；
（2）    利用聚焦离子束刻蚀技术在贵金属纳米膜上刻蚀纳米金属缝等二维纳米金属阵列。
根据几何光学理论，如图1和2所示：当TM偏振的平行光沿向正入射到三棱柱阵列1的侧面上（对应底面三角形的光入射边），就单个三棱柱而言，平行光沿
Figure 251281DEST_PATH_IMAGE013
向正入射到三棱柱的侧面
Figure DEST_PATH_IMAGE021
上，入射光被侧面
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE022
和折射，形成两束交叉传播的平面波，如图2所示，这两束平面波相互干涉，在距平面
Figure 590864DEST_PATH_IMAGE021
固定距离
Figure 772447DEST_PATH_IMAGE007
的地方形成强电磁场。贵金属纳米缝阵列等二维纳米金属阵列2沿
Figure 899803DEST_PATH_IMAGE012
轴平行
Figure 986577DEST_PATH_IMAGE021
放置于处，从而激发表面等离子体。二维纳米金属阵列的宽度为
Figure 792039DEST_PATH_IMAGE005
，厚度为
Figure 152613DEST_PATH_IMAGE006
，宽度和厚度在纳米量级，二维纳米金属阵列的周期和微三棱柱阵列的周期相同。
具体应用实例1
微三棱柱阵列1和二维纳米金属阵列2构成的激发表面等离子体的微纳结构光学器件设计举例：
微三棱柱阵列1的具体参数以如下为例：
微三棱柱阵列1的材料为玻璃（折射率1.5），其底面三角形的光入射边长度
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE024
4μm，周期为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
4μm，h=1.5μm，经光学理论计算得：微三棱柱阵列的聚焦距离
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE026
4.09μm。
二维纳米金属阵列2采用纳米金属缝阵列，具体参数以如下为例：
金属材料为银，缝宽
Figure DEST_PATH_IMAGE027
nm，缝的厚度
Figure 2011101978465100002DEST_PATH_IMAGE028
nm，周期为
Figure 975950DEST_PATH_IMAGE025
4μm。
当入射波长λ从400 nm 变化到1600 nm时，利用时域有限差分方法计算的微三棱柱阵列1产生的光束激发的表面等离子体引起的银纳米缝阵列2透射增强如图3所示。和直接入射的平面波相比，微三棱柱阵列产生的光束将银纳米缝阵列的透射提高了4倍多。

Claims (5)

1.一种高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件，其特征在于该光学器件由微三棱柱阵列和二维纳米金属阵列构成，微三棱柱阵列用于将入射的单束平面波光束转化成两束斜交叉传播的平面波，微三棱柱阵列中各三棱柱底面三角形的光入射边的长度为                                                
Figure 2011101978465100001DEST_PATH_IMAGE001
，该边长到对应顶点的高为
Figure 321647DEST_PATH_IMAGE002
，微三棱柱阵列的周期为
Figure 2011101978465100001DEST_PATH_IMAGE003
，且
Figure 455694DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 785044DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 983944DEST_PATH_IMAGE001
在微纳米量级；二维纳米金属阵列中的每个二维纳米金属结构的中心正对微三棱柱阵列中每个微三棱柱的顶点，二维纳米金属阵列的宽度为
Figure 2011101978465100001DEST_PATH_IMAGE005
，厚度为
Figure 2011101978465100001DEST_PATH_IMAGE007
，宽度和厚度在纳米量级，二维纳米金属阵列的周期和微三棱柱阵列的周期相同，二维纳米金属阵列置于微三棱柱阵列产生的强电磁场处，
Figure 836067DEST_PATH_IMAGE008
为微三棱柱阵列产生的强电磁场到三棱柱底面三角形的光入射边的距离。
2.根据权利要求1所述的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件，其特征在于所述的微三棱柱阵列产生的强电磁场
Figure 652714DEST_PATH_IMAGE008
的位置由下式确定：
Figure 2011101978465100001DEST_PATH_IMAGE009
其中：
Figure 265092DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是微三棱柱阵列材料的折射率。
3.根据权利要求1或2所述的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件，其特征在于所述的微三棱柱阵列为具有微纳米特征尺寸的等腰三角形作为底面的三棱柱周期性排列构成的阵列。
4.根据权利要求1或2所述的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件，其特征在于改变微三棱柱阵列底面三角形的光入射边上的高与光入射边的比值
Figure 100061DEST_PATH_IMAGE012
的大小，能够实现对入射光波位相分布和传播方向的调制。
5.根据权利要求1或2所述的高效激发表面等离子体的微纳结构光学器件，其特征在于所述的二维纳米金属阵列为纳米金属狭缝、纳米金属脊、纳米金属光栅或纳米金属槽构成的阵列结构。
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