CN104597562A - 近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，包括以下部分：基底、金膜、内环、外环；所述金膜镀在基底表面上；所述内环、外环刻蚀在金膜上；所述内环、外环分别为均匀分布的30个耦合器；在内环或外环上相邻的两个耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为12度；内环上的耦合器和与其最接近的外环上的耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为6度。所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，利用径向偏振光照明，可以实现只向中心传播并聚焦，因而避免了向外传播引起干扰和噪声，有利于将光电子器件集成化。

Description

近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜

技术领域

本发明涉及纳米光电子器件领域，特别涉及近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜。

背景技术

表面等离激元(SPPs)是一种在外部光场激发下金属表面电子的集体振荡从而导致沿表面传播的电磁波，其波长小于外部激发波长。表面等离激元为纳米尺度光电子器件，光信息通信技术和生物化学传感技术提供了可能性。目前，已经开发了多种基于表面等离激元的各种器件：如表面等离激元发射器，表面等离激元透镜，表面等离激元波导，表面等离激元分束器，表面等离激元数字逻辑器件。表面等离激元透镜是将沿金属表面传播的等离子体波聚焦在纳米尺度范围内的微结构。

目前，表面等离激元透镜由单个刻蚀在贵金属金或银膜上面的单个缝或周期性环形缝或环形槽组成。当表面等离激元透镜由环形缝组成时，用径向偏振光照明时，环形缝上各个点均能激发表面等离子体波，并沿垂直于缝的方向向两边传播。只有向内传播的表面等离子体波才能在中心会聚，而向外传播的表面等离子体波成为噪音，可能会导致不必要的相邻器件与器件之间的耦合、散射及噪音，不利于使光电子集成器件做的更小、更紧密，因此限制了所述基于表面等离激元制备的各种器件的进一步应用。当表面等离激元透镜由周期性结构组成时，表面等离激元透镜只能对某一波长的表面等离激元聚焦。

文献(Nano Lett.2014，14，704-709)中提出了一种近红外宽带定向表面等离激元耦合器(如图1和图2所示)，它由一对狭缝组成。图1为表面等离激元耦合器俯视图，图2为侧视图。整个耦合器是在二氧化硅基底上镀一层厚度为H的金膜，并用聚焦离子束刻蚀一对宽为W，长度分别为L1和L2，相距为D的狭缝。这样的结构被称作非对称光学狭缝天线对。每个狭缝都有不同的共振性质。他们都可以将从二氧化硅基底一边垂直入射的，沿X轴偏振的自由空间传播的激发光束耦合成沿金膜和空气交界面传播的表面等离子体波。其初始位相设为和。当狭缝尺寸远小于表面等离子体波长λ_SPP，则两个狭缝光学天线在远场都可以认为是点光源。每个点光源发出的电场在X轴方向的分量可以写成偶极子的电场形式：

$E_x(r,\mathrm{\θ})=E_0{\cos }^2\mathrm{\θexp}(-r/\mathrm{\δ})\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\πr}/{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SPP}})/\left(\sqrt{r}\right)---\left(1\right)$

这里δ是SPPs的传播长度。两个SPPs点光源发出的光场沿正负X轴方向传播并相互干涉。在忽略相邻天线散射的情况下，假定SPPs传播长度和沿X轴考察点距离远大于两个狭缝天线之间距离D时，则沿X轴正向和沿X轴负向干涉强度分布I_+SPP和I_-SPP可以表示为：

上式中初始相位和决定于天线参数和入射激发波长。C为常数。A₁和A₂是狭缝中心位置的振幅。k_SPP＝2π/λ_SPP。由公式(3)可以看出：当A₁＝A₂，同时满足时，I_-SPP＝0。由此实现X轴正向的SPP单向传播。而当和k_SPPD＝π/2时，I_+SPP又可以达到最大，从而实现最大的消光比I_+SPP/I_-SPP。但是A₁＝A₂和不可能在一个很宽的波段里同时实现。因此，宽波段和最大的消光比不可能同时实现。

通过改变狭缝长度和波长的一系列模拟结果表明，狭缝长度的变化可以改变两个狭缝耦合的SPPs的相位差并能在较宽的波段内实现A₁＝A₂。

利用时域有限差分法模拟软件FDTD solutions计算结果表明：当L₁＝225nm，L₂＝260nm，W＝80nm，金膜厚度H＝200nm时，在773nm到930nm波段范围内，A₁＝A₂基本满足。在830nm处，因此为了满足可以选择确定D＝320nm。如果定义消光比η＝I_+SPP/I_-SPP，计算表明在此波长范围内，η＞15。λ＝810nm时，消光比达到最大η_max＝44。因此如果定义η＞15的波长范围为带宽，则该耦合器带宽大于157nm。图1和图2的一对狭缝天线参数按以上所述全部确定后，即成为一个高消光比、近红外、宽波段、单向传播的表面等离激元耦合器。

但目前，尚未有利用上述等离激元耦合器制作表面等离激元透镜的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中环型结构表面等离激元透镜环上激发的SPPs同时向内和向外传播的问题。因为向外传播的SPPs可以引起不必要的相邻器件之间的耦合，散射和噪音，不利于使光电子集成器件做得更小，更紧密。

本发明提供一种近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，将具有多个高消光比、近红外、宽波段、单向传播的表面等离激元耦合器组合成环形结构，从而使得各个单元表面等离激元传播方向均指向中心，可以有效避免相邻器件之间产生的耦合、散射和噪音，有利于光电子集成器件的广泛应用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，包括以下部分：基底、金膜、内环、外环；所述金膜镀在基底表面上；所述内环、外环均为在金膜上刻蚀出来的狭缝，且所述内环和外环均为圆环形，所述内环设置在所述外环内；所述内环、外环分别为均匀分布的30个耦合器；所述内环或外环上的相邻的两个耦合器与圆环中心的连线所形成的夹角为12度；内环上的耦合器和与其最接近的外环上的耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为6度。

所述金膜的厚度为200纳米。

所述内环半径为2300纳米，所述外环半径为3000纳米。

所述其中任何一个耦合器由两个长短不一的狭缝天线组成，所述两个长短不一的狭缝天线平行放置，所述长狭缝天线比短狭缝天线更靠近圆心。

所述长狭缝天线的长度为260纳米，所述短狭缝天线的长度为225纳米，所述长狭缝天线和短狭缝天线的宽度均为80纳米；所述长狭缝天线和短狭缝天线的深度均为200纳米。

所述长狭缝天线与短狭缝天线的中心相距320纳米。

所述表面等离激元透镜可以用于波长773纳米到930纳米范围的激光照明。所述表面等离激元透镜用于波长773纳米到930纳米范围的激光照明时，产生的向内和向外传播的表面等离激元消光比大于15。

所述表面等离激元透镜需要用特定偏振的光束照明，所述照明光束为径向偏振光束；当利用径向偏振光束作为照明光束时，本发明所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜产生的表面等离基元只向中心传播并聚焦。

本发明的有益效果是：

本发明提供了近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，所述表面等离激元透镜可以用于表面等离激元近红外宽波段定向传播和会聚。克服了现有技术中向外传播的表面等离激元波可与邻近的其他器件耦合、散射和引起噪音，以及周期性结构只能对某一波长的表面等离激元聚焦等问题。本发明利用刻蚀在金膜上的由长短不一的两个平行狭缝天线组成的耦合器，在结构参数设计优化后可以实现表面等离激元的单向传播特点构造了一个近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜。所述表面等离激元透镜由安排在内外两个环上，并相互错开的多个耦合器组成并且需要用径向偏振光照明激发表面等离激元。所述表面等离激元透镜没有向外传播的表面等离激元，因此不会对邻近器件产生耦合，散射和噪音，有利于将光电子器件集成化，并可在大约160纳米的近红外波段范围内实现内外消光比大于15的定向聚焦。

附图说明

图1为表面等离激元耦合器俯视图；

图2为表面等离激元耦合器侧视图；

图3为本发明所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜的结构示意图，各标号所代表的部件列表如下：1、基底，2、金膜，3、内环，4、外环；

图4为利用FDTD solutions 8.6软件构造和模拟的本发明所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜对830纳米波长入射径向偏振激光的耦合和聚焦效果模拟图；

图5为本发明所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜的径向偏振激光照明光路，各标号所代表的部件列表如下：5、激光器，6、望远镜系统，7、线偏振检偏器，8、径向偏振转换器，9、反射镜，10、物镜，11、载物台，12、近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明要解决以前环型结构表面等离激元透镜环上激发的SPPs同时向内和向外传播的问题。因为向外传播的SPPs可以引起不必要的相邻器件之间的耦合，散射和噪音，不利于使光电子集成器件做得更小，更紧密。为此，本发明将上述所描述的多个高消光比、近红外、宽波段、单向传播的表面等离激元耦合器组合成环形结构，从而使得各个单元表面等离激元传播方向均指向中心。由于各个单元耦合器必须由垂直于狭缝偏振的激发光束才能激发表面等离激元，当多个耦合器组合成图3所示的环形结构时，各个耦合器的激发光束偏振方向都沿径向偏振。所以这样的环形结构刚好可以用径向偏振光照明。为了提高中心光斑的聚焦能量和入射激发光束的利用效率，发明人设置了两个环，即内环和外环。外环与内环的耦合器沿切线方向相互错开，而且外环与内环的半径相差一个共振波长对应的λ_SPP或整数个λ_SPP。这样就成为一个无向外传播噪音的近红外宽波段表面等离激元透镜。图4为基于此方法和原理构造的近红外宽波段表面等离激元透镜聚焦效果的数值模拟效果图。可以看出本发明所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜对830纳米波长入射径向偏振激光具有耦合和聚焦效果。

下面结合图3对本发明具体实施作进一步的详细描述，给出的实施例仅为阐述本发明，而不是为了限制本发明的范围：

该表面等离激元透镜采用二氧化硅材料作为基底1，在二氧化硅基底1上采用电子束蒸发镀膜沉积200纳米厚的金膜2。采用聚焦离子束刻蚀30个如图1所示的耦合器，形成内环3，内环半径为2300纳米，并且图1中的坐标原点位于半径为2300纳米的环上采用聚焦离子束刻蚀30个如图1所示的耦合器，形成外环4，外环半径为3000纳米，在内环3或外环4上相邻的两个耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为12度；内环3上的耦合器和与其最接近的外环4上的耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为6度。每个耦合器由两个长短不一的狭缝天线组成，所述两个长短不一的狭缝天线平行放置，所述长狭缝天线比短狭缝天线更靠近圆心，所述长狭缝天线与短狭缝天线的中心相距320纳米。

单个耦合器参数如下：L₁＝225纳米，L₂＝260纳米，W＝80纳米，D＝320纳米，H＝200纳米。

当对本发明所述的表面等离激元透镜利用波长773纳米到930纳米范围的激光照明时，产生的向内和向外传播的表面等离激元消光比大于15。

利用径向偏振光束的照明：径向偏振光束的获得可以通过Arcoptix公司生产的径向偏振转换器实现。激光器5发射激光光束，激光光束先通过望远镜系统6扩束和准直，再入射到一个垂直线偏振检偏器7，然后通过径向偏振转换器8，经反射镜9反射后，最后进入一个长工作距离低数值孔径物镜10，将光束横截面压缩至直径大约8到10微米。然后左右前后调节置于微调载物台11上的近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜12样品，使径向偏振光束中心对准该表面等离激元透镜中心。光路如图5所示。从图5中的光路图可以看出，将本发明所述的表面等离激元透镜，利用径向偏振光照明，可以实现只向中心传播并聚焦的特点，因而避免了向外传播引起干扰和噪声。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，包括以下部分：基底(1)、金膜(2)、内环(3)、外环(4)；所述金膜(2)镀在基底(1)表面上；所述内环(3)和外环(4)均为在金膜(2)上刻蚀出来的狭缝，且所述内环(3)和外环(4)均为圆环形，所述内环(3)设置在所述外环(4)内；所述内环(3)、外环(4)分别为均匀分布的30个耦合器；在内环(3)或外环(4)上相邻的两个耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为12度；内环(3)上的耦合器和与其最接近的外环(4)上的耦合器分别与圆环中心的连线所形成的夹角为6度。

2.根据权利要求1所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述金膜(2)的厚度为200纳米。

3.根据权利要求1所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述内环(3)的半径为2300纳米，所述外环(4)的半径为3000纳米。

4.根据权利要求1所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述其中任何一个耦合器由两个长短不一的狭缝天线组成，所述两个长短不一的狭缝天线平行放置，所述长狭缝天线比短狭缝天线更靠近圆心。

5.根据权利要求4所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述长狭缝天线的长度为260纳米，所述短狭缝天线的长度为225纳米，所述长狭缝天线和短狭缝天线的宽度均为80纳米；所述长狭缝天线和短狭缝天线的深度均为200纳米。

6.根据权利要求4所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述长狭缝天线与短狭缝天线的中心相距320纳米。

7.根据权利要求1所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜的照明光束为径向偏振光束。

8.根据权利要求1-7所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜，其特征在于，所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜用于波长773纳米到930纳米范围的激光照明。

9.根据权利要求8所述一种双环表面等离子激元透镜，其特征在于，所述近红外宽波段定向传播和聚焦的表面等离激元透镜用于波长773纳米到930纳米范围的激光照明时，产生的向内和向外传播的表面等离激元消光比大于15。