CN105137127B - 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针 - Google Patents

Abstract

一种高空间分辨率、高效激发表面等离激元并产生旋转电场的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针。该探针由介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥结构复合构成，其中金属粮仓形纳米锥是金属纳米圆柱和金属纳米圆锥的组合。当入射光垂直入射该复合结构探针底面时，光首先经由介质微螺旋锥，对光场进行聚焦并使其携带轨道角动量；然后在介质微螺旋锥焦点处沿着金属粮仓形纳米锥表面向顶端传播，并不断压缩和聚焦，一方面在金属表面高效激发表面等离激元，产生可达四个数量级的纳米聚焦的高局域强场；另一方面在顶端形成的强场具有旋转特性。本发明在纳米传感、纳米光刻和纳米操纵等领域具有重要的应用价值和应用前景。

Description

介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及到纳米光电器件、表面等离激元激发和纳米聚焦，特别是一种高空间分辨率、高效激发表面等离激元并产生旋转电场的复合结构光电探针。

背景技术

纳米聚焦是将光能量集中到纳米量级区域，提高纳米聚焦的效率和强度对于纳米传感、纳米光刻和纳米操纵有着十分重要的意义。而通常实现纳米聚焦的方法是入射光直接照射纳米金属圆锥结构，一方面这种方式往往受到较小激励面的影响，不能有效形成高局域强场；另一方面产生的场不具有旋转特性，方向单一受限。而当前已有将螺旋和圆锥结构进行复合的纳米金属结构，能产生旋转强场，但是纳米量级的金属螺旋锥受加工方面的限制，实际操作中较难实现，并且纳米金属圆锥只在底部边缘激发表面等离激元，激发效率不够高。

发明内容

本发明的目的是为提高纳米聚焦强度并产生具有旋转特性的强场，提供一种高空间分辨率、高效激发表面等离激元的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合结构的光电探针。

本发明技术方案

本发明提供的高空间分辨率、高效激发表面等离激元并产生旋转电场的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针，由介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥结构复合构成，既结合了微介质螺旋锥的聚焦和产生螺旋相位的特性，又将此特性用来高效激发表面等离激元并产生旋转电场，是一种新型的介质-金属复合探针；首先介质微螺旋锥将入射光进行聚焦并使其携带轨道角动量，然后将光场传递给位于介质微螺旋锥焦点位置z_f处的金属粮仓形纳米锥，在金属边缘高效激发表面等离激元，表面等离激元沿着金属粮仓形纳米锥表面向顶端传播，并不断的压缩和聚焦，从而在探针顶端形成纳米聚焦和具有螺旋相位的高局域强场。不同偏振态的入射光得到不同强度的聚焦光场，线偏振光入射能够得到总强度达四个数量级的聚焦光场，而径向偏振光入射得到总强度达三个数量级的聚焦光场。

所述的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针，结合螺旋结构和金属粮仓形纳米锥的结构优势以及介质微结构的加工优势。

所述的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针中介质微螺旋锥的结构由柱坐标系下的结构方程h₁(ρ,θ)决定：

所述的金属粮仓形纳米锥结构由柱坐标系下的结构方程h₂(ρ,θ)决定：

其中：ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，h₀，h_n和h_m是预设的高度参数，R是介质微螺旋锥底面半径，r是金属纳米锥的底面半径。h₀和R的大小在微米量级，h_n、r和h_m的大小在纳米量级。

所述的入射光为平行入射的线偏振光。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针，既结合了微介质螺旋锥的聚焦和产生螺旋相位的特性，又将此特性用来高效激发表面等离激元并产生旋转电场，是一种新型的介质-金属复合探针。当入射光垂直入射探针底面时，首先介质微螺旋锥将入射光进行聚焦并使其携带道角动量，然后将光场传递给位于介质微螺旋锥焦点z_f处的金属粮仓形纳米锥，在金属边缘高效激发表面等离激元，表面等离激元沿着金属粮仓形纳米锥表面向顶端传播，并不断压缩和聚焦，从而在探针顶端形成纳米聚焦和具有螺旋相位的高局域强场。该聚焦电场强度不仅可以增强到四个数量级，有利于提高纳米探测和成像的灵敏度，而且具有旋转特性，有利于实现较大范围的纳米粒子的操纵和筛选。

本发明可用作扫描近场显微镜、原子力显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪的高分辨率和高灵敏度探针，并且制作加工较易实现。

在纳米传感、纳米光刻和纳米操纵等各个领域有十分重要的应用价值。

附图说明

图1是介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合构成的高空间分辨率探针的三视图。其中：(a)是复合探针的主剖视图；(b)是复合探针的右剖视图；(c)是复合探针的俯视图。

图2是介质微螺旋锥产生的纳米聚焦。其中：(a)、(b)和(c)分别是电场E在xz、yz和xy平面的强度分布图；(d)是焦点附近z_f＝4.36μm处所在xy平面上S_xy的分布和方向分布图。

图3是介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针产生的纳米聚焦。其中：(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图；(c)是复合探针焦点附近所在的xz平面上|E_x|²+|E_z|²的强度分布和方向分布图；(d)是复合探针焦点处所在的xy平面上|E_r|²＝|E_x|²+|E_y|²的强度分布和方向分布图。

图中：1.介质微螺旋锥2.金属粮仓形纳米锥。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的高空间分辨率的近场复合探针，由介质微螺旋锥结构和金属粮仓形纳米锥结构复合构成，其中，介质微螺旋锥在柱坐标系下的结构方程h₁(ρ,θ)为：

金属粮仓形纳米锥在柱坐标系下的结构方程h₂(ρ,θ)为：

其中：ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，h₀，h_n和h_m是预设的高度参数，R是介质微螺旋锥底面半径，r是金属纳米锥的底面半径。h₀和R的大小在微米量级，h_n、r和h_m的大小在纳米量级。

本发明中介质微螺旋锥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介质微螺旋锥器件。

(2)利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将介质微螺旋锥器件转移到光学玻璃上。

本发明中金属粮仓形纳米锥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)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刻蚀金属粮仓形纳米锥结构。

具体应用实例1

介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥构成的高空间分辨率复合探针，其入射光以线偏振光为例，总初始入射强度记为1a.u.。

1、介质微螺旋锥1的具体参数以如下为例：

材料为玻璃，折射率n＝1.5，入射波长λ_inc＝550nm，底面半径R＝2μm，介质焦点位置z_f＝4.36μm。

2、金属粮仓形纳米锥2的具体参数以如下为例：

材料为银，入射波长为550nm时，相对介电常数ε_m＝-11.2763-0.0520i，选取h_n＝1.52μm，h_m＝0.779μm，r＝0.38μm。

图2是线偏振光入射介质微螺旋锥时产生的纳米聚焦，电场最大强度|E|²为12.2512a.u.,将入射光强提高了12倍。图2中(a)、(b)和(c)分别是电场E在xz、yz和xy平面的强度分布图；(d)是介质微螺旋锥焦点z_f＝4.36μm附近所在xy平面上S_xy的分布和方向分布图，由如图中箭头所示，能量呈旋转分布。

图3是介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为10670a.u，强度增加到四个数量级。图3中(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图，其在探针顶端形成强纳米聚焦；(c)是在探针焦点附近所在xz平面上|E_x|²+|E_z|²的强度分布和方向分布图，如图中箭头所示，方向向外且呈非对称分布；(d)是在探针焦点处所在xy平面上|E_r|²＝|E_x|²+|E_y|²的强度分布和方向分布图，如图中箭头所示，围绕焦点处向内旋转分布。

由介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针激发的表面等离激元，沿着金属粮仓形纳米锥表面高效向顶端传播，并不断压缩和聚焦，在探针顶端形成纳米聚焦的高局域旋转强场。和与光直接入射的金属纳米圆锥相比，由于微介质螺旋锥的聚焦及粮仓形结构增加的边缘奇点，强度不仅得到高度增强，而且产生的场具有旋转特性；和与光直接入射的金属纳米螺旋锥相比，电场不仅具有旋转特性而且强度提高了一个量级，是一种新型的介质-金属复合探针，另外介质微螺旋锥要比纳米量级的金属螺旋锥易于加工和制作。

Claims (2)

1.一种高空间分辨率、高效激发表面等离激元并产生旋转电场的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针，其特征在于该复合探针由介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥结构复合构成，既结合了微介质螺旋锥的聚焦和产生螺旋相位的特性，又将此特性用来高效激发表面等离激元并产生旋转电场，是一种新型的介质-金属复合探针；首先介质微螺旋锥将入射光进行聚焦并使其携带轨道角动量，然后将光场传递给位于介质微螺旋锥焦点位置z_f处的金属粮仓形纳米锥，在金属边缘高效激发表面等离激元，表面等离激元沿着金属粮仓形纳米锥表面向顶端传播，并不断的压缩和聚焦，从而在探针顶端形成纳米聚焦和具有螺旋相位的高局域强场；所述的介质微螺旋锥的结构由柱坐标系下的结构方程h₁(ρ,θ)决定：

$h_1(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=h_0\·(1-\frac{\mathrm{\ρ}}{R}+\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}})---\left(1\right)$

金属粮仓形纳米锥结构由柱坐标系下的结构方程h₂(ρ,θ)决定：

$h_2(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=h_m\·(1-\frac{\mathrm{\ρ}}{r})+h_n-h_m---\left(2\right)$

其中：ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，h₀，h_n和h_m是预设的高度参数，R是介质微螺旋锥底面半径，r是金属粮仓形纳米锥的底面半径；h₀和R的大小在微米量级，h_n、r和h_m的大小在纳米量级。

2.根据权利要求1所述的介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针，其特征在于不同偏振态的入射光得到不同强度的聚焦光场，线偏振光入射能够得到总强度达四个数量级的聚焦光场，而径向偏振光入射得到总强度达三个数量级的聚焦光场。