CN103926707A - 一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，采用器件主要由透明基底、纳米结构层和波导共振多层膜构成。对于确定波长的平面波照射透明基底，透明基底上的纳米结构层将照明平面波衍射为各级次平面波。利用波导共振多层膜的共振耦合特性，对于各级次平面波透射波导共振多层膜后将产生特定单一级次的表面等离子体光场，波导共振多层膜材料的虚部吸收小、激发产生的表面等离子体光场强度高，最终可以在波导共振多层膜的上表面形成纵向5nm～50nm范围内倏逝的表面等离子体光场。本发明的方法对波导共振多层膜的厚度误差、粗糙度要求低，有望用于超分辨显微的结构照明、表面等离子体干涉光刻、表层显微、表面等离子体生物传感等领域。
Description
技术领域
本发明属于显微成像领域，涉及一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，特别适用于超分辨成像和表面等离子体干涉光刻中的结构照明。
背景技术
光学显微成像技术广泛应用于生物学、细胞学、材料学等研究领域。对于样品表层形貌的显微成像，通常采用棱镜全内反射所产生的倏逝光场照明样品表层，避免样品内部散射光干扰成像效果。全内反射显微成像技术的纵向分辨力通常由倏逝波的趋肤深度决定，即倏逝光场的纵向衰减越快，纵向分辨力越高。然而，棱镜激发所产生倏逝光场的局域特性有限，全内反射显微成像技术的纵向分辨力为100nm～200nm。对于能够清晰地观测到纵向50nm、甚至更薄样品的表层信息，则需要激发趋肤深度更小的倏逝光场作为照明光源。
近年来，表面等离子体(Surface Plasmons,SP)作为电磁波耦合自由电子激发产生的表面电磁模式，激发产生的SP波横向波矢远大于照明光波矢；这意味着SP波的纵向局域能力比棱镜全内反射产生的倏逝光场更强。然而，对于金属/介质多层膜对空间频谱操控，膜层材料的虚部吸收对空间频谱范围和透射振幅影响很大。通常金属/介质多层膜频谱滤波激发产生的表面等离子体光场激发强度很低，极大地降低了照明光的能量利用率；同时也限制了表面等离子体光场实际应用时探测器最小探测强度的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对金属/介质多层模激发产生表面等离子体光场强度低的问题，提出一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法。该设计方法能够实现特定单一倏逝频谱的表面等离子体光场激发，设计膜层厚度易于控制，膜层误差和粗糙度要求小。该设计方法可用于超分辨成像和表面等离子体干涉光刻等方面的结构照明。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，该方法采用器件主要由透明基底、纳米结构层和波导共振多层膜构成；其中纳米结构层用于对照明光衍射出各级次平面波；波导共振多层膜用于对照明光衍射出各级次平面波进行空间频谱范围和透射振幅调制；其步骤如下：
步骤(1)、选择照明光的工作波长λ，根据其波长选择透明基底，照明光的入射角度可以为任意角度；
步骤(2)、纳米结构层由衍射结构和结构平坦层构成，衍射结构首先将照明光衍射为各级次平面波；结构平坦层对衍射结构进行平坦化，易于波导共振多层膜的平面化制备；
步骤(3)、透明基底上制备厚度为d1的薄膜作为衍射结构，衍射结构可以为不透光的金属纳米结构，也可以为透光的介质纳米结构，衍射结构的形状可以为规则的几何体、或不规则的任意面型，衍射结构的分布可以是均匀的、或非均匀的，分布方式可以是一维、或二维；
步骤(4)、结构平坦层用作衍射结构的平坦，结构平坦层选择透光的PMMA材料；
步骤(5)、波导共振多层膜的单元结构为金属层/介质层/共振层/介质层，波导共振多层膜的单元数为2～15；金属层/介质层/共振层/介质层中的金属膜层材料可以选择金、银、铝等贵金属、或掺杂金属，金属膜层的厚度范围为10nm～60nm，制备的各金属膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变；介质膜层材料可以选择二氧化硅、三氧化二铝、氧化钛等，介质膜层的厚度范围为10nm～60nm，制备的各介质膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变，包裹共振层的介质膜层材料可以相同也可以不同；共振层材料可以选择氧化钛、碳化硅等高折射率介质材料，共振层的厚度范围为10nm～200nm，制备的各共振层厚度可以相等，也可以厚度渐变。
其中，所述步骤(1)中透明基底可以选择融石英、蓝宝石，根据表面等离子体光场纵向局域的需要，照明光的入射角度可以在0°～90°范围内变化。
其中，所述步骤(3)中衍射结构层的厚度d1可以为20nm～100nm，衍射结构可以为铬、硅或石英等纳米结构，衍射结构的分布间隔小于波长以激发各级次倏逝平面波，照明光的偏振态可以为线偏振、椭圆偏振、圆偏振以及其他特殊偏振，具体偏振态选择以衍射结构的分布决定。
其中，所述步骤(3)中衍射结构可以采用干涉光刻和刻蚀传递，聚焦离子束直写或电子束直写等微纳米加工技术手段。
其中，所述步骤(4)中结构平坦层可以PMMA等能够热回流的介质材料。
其中，所述步骤(3)和(4)中膜层制备可以采用电子束阻蒸、磁控溅射或原子束沉积。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明中波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法可提供对样品50nm及更薄深度内的表层高效率的照明。该设计方案避免金属/介质多层膜材料虚部吸收降低表面等离子体光场的激发强度，设计膜层厚度易于控制，膜层误差和粗糙度要求小。本发明提供的导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，可用于超分辨显微的结构照明、表面等离子体干涉光刻、表层显微、表面等离子体生物传感等领域。
附图说明
图1是本发明实施例所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法的结构示意图；
图1中，1所示为透明基底；2所示为纳米结构层；3所示为波导共振多层膜的金属层；4所示为波导共振多层膜的介质层；5所示为波导共振多层膜的共振层。
图2是本发明实施例所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法中金属层的光学传递函数(Optical Transfer Function，简称OTF)；
图3是本发明实施例所所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法的波导共振多层膜单元结构示意图；
图3中，1所示为透明基底；3所示为波导共振多层膜的金属层；4所示为波导共振多层膜的介质层；5所示为波导共振多层膜的共振层。
图4是本发明实施例所所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法的波导共振多层膜单元结构的光学传递函数(Optical Transfer Function，简称OTF)；
图5是本发明实施例所所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法中图1所示波导共振多层膜的光学传递函数(Optical Transfer Function，简称OTF)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
本发明提供的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，该方法采用器件主要由透明基底、纳米结构层和波导共振多层膜构成；其中纳米结构层用于对照明光衍射出各级次平面波；波导共振多层膜用于对照明光衍射出各级次平面波进行空间频谱范围和透射振幅调制；步骤如下：
步骤(1)、选择照明光的工作波长λ，根据其波长选择透明基底，照明光的入射角度可以为任意角度；
其中，所述步骤(1)中透明基底可以选择融石英、蓝宝石，根据表面等离子体光场纵向局域的需要，照明光的入射角度可以在0°～90°范围内变化。
波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法如说明书附图1所示，具体实施：1所示透明基底为石英；2所示所示为Cr/PMMA光栅纳米结构层；3所示波导共振多层膜为Ag/SiO2/TiO2/SiO2中的金属Ag层，厚度30nm；4所示波导共振多层膜为Ag/SiO2/TiO2/SiO2中的介质SiO2层，厚度30nm；5所示波导共振多层膜为Ag/SiO2/TiO2/SiO2中的介质TiO2层，厚度110nm；波导共振多层膜单元数为3；本实施例中照明波长为365nm的单色激光，照明光的入射角θ为0°。
步骤(2)、纳米结构层由衍射结构和结构平坦层构成，衍射结构首先将照明光衍射为各级次平面波；结构平坦层对衍射结构进行平坦化，易于波导共振多层膜的平面化制备；
步骤(3)、透明基底上制备厚度为d1的薄膜作为衍射结构，衍射结构可以为不透光的金属纳米结构，也可以为透光的介质纳米结构，衍射结构的形状可以为规则的几何体、或不规则的任意面型，衍射结构的分布可以是均匀的、或非均匀的，分布方式可以是一维、或二维；
其中，所述步骤(3)中衍射结构层的厚度d1可以为20nm～100nm，衍射结构可以为铬、硅或石英等纳米结构，衍射结构的分布间隔小于波长以激发各级次倏逝平面波，照明光的偏振态可以为线偏振、椭圆偏振、圆偏振以及其他特殊偏振，具体偏振态选择以衍射结构的分布决定。
其中，所述步骤(3)中衍射结构可以采用干涉光刻和刻蚀传递，聚焦离子束直写或电子束直写等微纳米加工技术手段。
步骤(4)、结构平坦层用作衍射结构的平坦，结构平坦层选择透光的PMMA材料；
其中，所述步骤(4)中结构平坦层可以PMMA等能够热回流的介质材料。
其中，所述步骤(3)和(4)中膜层制备可以采用电子束阻蒸、磁控溅射或原子束沉积。
步骤(5)、波导共振多层膜的单元结构为金属层/介质层/共振层/介质层，波导共振多层膜的单元数为2～15；金属层/介质层/共振层/介质层中的金属膜层材料可以选择金、银、铝等贵金属、或掺杂金属，金属膜层的厚度范围为10nm～60nm，制备的各金属膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变；介质膜层材料可以选择二氧化硅、三氧化二铝等，介质膜层的厚度范围为10nm～60nm，制备的各介质膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变，包裹共振层的介质膜层材料可以相同也可以不同；共振层材料可以选择氧化钛、碳化硅等高折射率介质材料，共振层的厚度范围为10nm～200nm，制备的各共振层厚度可以相等，也可以厚度渐变。
图2是本发明实施例所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法中金属层的光学传递函数(Optical Transfer Function，简称OTF)，图2表明金属层对于倏逝频谱的共振增强和传播频谱的抑制能力，通过金属-介质膜层的合理设计实现频谱低阻高通的调控。
图3是本发明实施例所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法的波导共振多层膜单元结构示意图。图3中，1所示为透明基底；3所示为波导共振多层膜的金属层；4所示为波导共振多层膜的介质层；5所示为波导共振多层膜的共振层。
图4是本发明实施例所所设计的一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法的波导共振多层膜单元结构的光学传递函数(Optical Transfer Function，简称OTF)；通过多个单元的组合能够实现频谱通带的调控。
对于照明光波长365nm，基底SiO2、Cr、TiO2、SiO2和Ag的介电常数分别为2.13、-8.55+8.96i、8+0.01i、2.16+0.06i和-2.4+0.2488i。图5所示，利用Ag/SiO2/TiO2/SiO2的共振耦合特性，波导共振多层膜的空间频率通带窗口为1.5k0～2.8k0。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (6)
1.一种波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，该方法采用器件主要由透明基底、纳米结构层和波导共振多层膜构成；其中纳米结构层用于对照明光衍射出各级次平面波；波导共振多层膜用于对照明光衍射出各级次平面波进行空间频谱范围和透射振幅调制；其特征在于，该方法步骤如下：
步骤(1)、选择照明光的工作波长λ，根据其波长选择透明基底，照明光的入射角度可以为任意角度；
步骤(2)、纳米结构层由衍射结构和结构平坦层构成，衍射结构首先将照明光衍射为各级次平面波；结构平坦层对衍射结构进行平坦化，易于波导共振多层膜的平面化制备；
步骤(3)、透明基底上制备厚度为d1的薄膜作为衍射结构，衍射结构可以为不透光的金属纳米结构，也可以为透光的介质纳米结构，衍射结构的形状可以为规则的几何体、或不规则的任意面型，衍射结构的分布可以是均匀的、或非均匀的，分布方式可以是一维、或二维；
步骤(4)、结构平坦层用作衍射结构的平坦，结构平坦层选择透光的PMMA材料；
步骤(5)、波导共振多层膜的单元结构为金属层/介质层/共振层/介质层，波导共振多层膜的单元数为2～15；金属层/介质层/共振层/介质层中的金属膜层材料可以选择贵金属金、银或铝；或掺杂金属，金属膜层的厚度范围为10nm～60nm，制备的各金属膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变；介质膜层材料可以选择二氧化硅、三氧化二铝或氧化钛，介质膜层的厚度范围为10nm～60nm，制备的各介质膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变，包裹共振层的介质膜层材料可以相同也可以不同；共振层材料可以选择高折射率介质材料氧化钛、碳化硅，共振层的厚度范围为10nm～200nm，制备的各共振层厚度可以相等，也可以厚度渐变。
2.根据权利要求1所述的波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，其特征在于：所述步骤(1)中透明基底可以选择融石英或蓝宝石，根据表面等离子体光场纵向局域的需要，照明光的入射角度可以在0°～90°范围内变化。
3.根据权利要求1所述的波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，其特征在于：所述步骤(3)中衍射结构层的厚度d1可以为20nm～100nm，衍射结构可以为纳米结构铬、硅或石英，衍射结构的分布间隔小于波长以激发各级次倏逝平面波，照明光的偏振态可以为线偏振、椭圆偏振、圆偏振以及其他特殊偏振，具体偏振态选择以衍射结构的分布决定。
4.根据权利要求1所述的波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，其特征在于：所述步骤(3)中衍射结构可以采用微纳米加工技术手段：干涉光刻和刻蚀传递，聚焦离子束直写或电子束直写。
5.根据权利要求1所述的波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，其特征在于：所述步骤(4)中结构平坦层可以PMMA等能够热回流的介质材料。
6.根据权利要求1所述的波导共振耦合表面等离子体光场的激发和调控方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中膜层制备可以采用电子束阻蒸、磁控溅射或原子束沉积。
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