CN108227054B - 一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，圆锥形结构包括两部分，表面带有环状凹槽的上半部分和表面光滑的下半部分。上半部分位于圆锥形高度结构的1/2位置处，在圆锥形高度结构的1/2位置处沿第三层结构的外侧斜面往上构建有深度为d，周期为L，占空比为1:1的周期性环形凹槽。此结构可应用于超高密度集成光路，对实现纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等领域具有十分重要的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，可用于纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等技术领域。
背景技术
现代信息技术对于器件微型化和高度集成化的要求，要求单元器件的尺寸越来越小，器件的空间距离也越来越小，均要突破光学衍射极限，基于传统光学的基本原理和技术因受衍射极限的限制，在纳米尺度层面和结构上就难以实现与此相关的信息的传输、处理和相关技术应用等，不能满足科学技术发展的需要，因此迫切需要实现突破衍射极限的新机理和新技术。
柱矢量光束(CVBs)是一类偏振态在光束传播方向横截面上面呈柱对称分布的特殊的矢量光束。研究发现，在高数值孔径聚焦下，柱矢量光束具有与传统的线偏振光和椭圆偏振光明显不同的聚焦特性，在粒子操控、电子加速、高分辨率成像、等离子体聚焦等领域中有着广阔的应用前景。例如在引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割以及提高存储密度等方面，随着人们对柱矢量光束的不断认识，它将在越来越多的方面得到应用。
表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons)是指金属表面上的自由振荡电子与光子相互作用产生沿着金属-介质表面传播的横磁偏振态的衰逝场。利用表面等离激元(SPP)可得到在纳米尺度上电磁能量局域汇聚放大，其有限的空间尺度、场空间局域增强的特点，对在纳米光子器件设计及其集成、制作微纳尺度量级的光子器件有显著的应用。
亚波长金属微结构是激发和控制SPP的主要结构，当所使用的亚波长金属微纳米结构具有轴对称性质时，用径向偏振光源照明激发SPP时能量利用率更高、聚焦点更小并且可以自动满足SPP激发所需的横磁偏振条件。
2007年，Weibin Chen等人提出了一种介质-金属双层圆锥结构，一柱矢量光束从该结构底端入射，在结构尖端实现很好的场聚焦效果。随后研究了该结构顶端电场增强与其圆锥半锥角和介质折射率之间的关系，发现圆锥半锥角和介质折射率对顶端电场的影响十分敏感且呈震荡关系。
由于金属等离激元本身的高损耗特性，导致上述双层结构的尖端场局域增强效应效果不理想，受上述双层圆锥形结构限制的困扰。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，所述圆锥形结构包括两部分，表面带有环状凹槽的上半部分和表面光滑的下半部分。
优选地，所述上半部分位于圆锥形高度结构的1/2位置处，在圆锥形高度结构的1/2位置处沿第三层结构的外侧斜面往上构建有深度为d，周期为L，占空比为1∶1的周期性环形凹槽。
优选地，所述环状凹槽的个数为六个，所述环状凹槽的截面为平行四边形，周期L为波长的1/2。
优选地，每个所述环状凹槽的深度d为30nm，周期L为300nm，
优选地，所述第一层结构为高折射率介质，所述高折射率介质为Si或GaN，其中Si的折射率为3.455。
优选地，所述第二层结构为低折射率介质，所述低折射率介质为SiO2或MgF2，其中SiO2的折射率为1.445。
优选地，所述第三层结构为贵金属，所述贵金属为金或银。
优选地，所述高折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质薄膜，所述低折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的贵金属薄膜，整个介质圆锥底面半径为R1，所述圆锥底面半径R1为1000nm，圆锥半锥角为θ，所述圆锥半锥角θ为15°。
优选地，在可见光至近红外波段，该场局域增强器件在径向偏振光或线偏振光的偏振模式下光从锥底垂直入射进入，在尖端区域产生很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点处有电场最大值，所述电场最大值为1853倍。
优选地，所述场局域增强器件内层高折射率介质圆锥顶部曲率半径为R2，所述R2为20nm，覆盖其上的低折射率介质薄膜圆锥顶部曲率半径为R3，所述R3为20nm，涂覆在最外层银薄膜的顶点处曲率半径为R4，所述R4为5nm。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明降低了结构内部的损耗，当径向偏振光从锥底垂直进入结构时，原本限制在结构内部的光更多的被耦合出来，并在尖端汇集，实现了更强的聚焦性能。本技术方案可以实现对线偏振光和径向偏振光同时具备实现较强的局域场增强效应，突破了现有技术的偏振态局限性。本发明结构紧凑、简单且易设计，材料获取容易，制备易实现，便于光子集成，因此可应用于超高密度集成光路，易应用于各类表面等离激元器件与微纳传感探测等领域。
附图说明
图1为本发明的表面构建环形凹槽的场局域增强器件剖面的结构示意图。
图2为本发明的表面构建环形凹槽的场局域增强器件剖面结构的部分放大示意图。
图3为本发明的表面构建环形凹槽的场局域增强器件剖面结构的部分放大示意图。
图4为本发明的实施例波长为λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的圆锥形聚焦器件尖端电场模|E|分布图。
图5为本发明的实施例波长为λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的圆锥形聚焦器件顶点处的电场模|E|分布放大图。
图6为本发明的实施例表面带凹槽的三层圆锥形聚焦器件距离锥顶不同距离处的电场模|E|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶，距离为0nm，以及距离为5nm和10nm。
图7为本发明的实施例表面不带凹槽的三层圆锥形聚焦器件距离锥顶不同距离处的电场模|E|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶，距离为0nm，以及距离为5nm和10nm。
图8为本发明的实施例表面带凹槽与不带凹槽的三层圆锥形聚焦器件尖端电场模|E|从顶点沿锥底半径方向的分布曲线对比图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，该场局域增强器件可在纳米尺度上电磁能量局域汇聚放大，在有限的空间尺度场局域增强，具体可用于在纳米光子器件设计及其集成、微纳传感探测、传感器、新型光源等领域。
如图1所示，该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构1、第二层结构2和第三层结构3，所述第一层结构1、第二层结构2和第三层结构3由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，所述圆锥形结构包括两部分，表面带有环状凹槽的上半部分和表面光滑的下半部分，图1中的A部分为环状凹槽的部分放大图。
具体地，如图2所示，所述上半部分位于圆锥形高度结构的1/2位置处，在圆锥形高度结构的1/2位置处沿第三层结构的外侧斜面往上构建深度为d，周期为L，占空比为1∶1的周期性环形凹槽。在本技术方案中，所述环状凹槽的个数优选为六个，所述环状凹槽的截面为平行四边形，周期L为波长的1/2，在本技术方案中，所述波长优选为632.8nm的工作波长，在该波长下，凹槽个数达到最优值。所述环状凹槽的深度d为30nm，周期L为300nm，1/2L为150nm，所述环状凹槽的深度为d，每个环状凹槽的周期为L，占空比为1∶1。
所述第一层结构为高折射率介质，所述高折射率介质为Si或GaN，其中Si的折射率为3.455。所述第二层结构为低折射率介质，所述低折射率介质为SiO2或MgF2，其中SiO2的折射率为1.445。所述第三层结构为贵金属，所述贵金属为金或银，在本技术方案中，所述贵金属优选为银。
如图3所示，所述局域增强器件为柱对称锥形结构，所述高折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质薄膜，h1的厚度为50nm，所述低折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的贵金属薄膜，h2的厚度为50nm。整个介质圆锥底面半径为R1，所述圆锥底面半径R1为1000nm，圆锥半锥角为θ，所述圆锥半锥角θ为15°。
由于柱对称的结构，支持的偏振模式更多，无论是线偏振光还是径向偏振光都支持，在本技术方案中，优选为径向偏振光。在可见光至近红外波段，所述可见光的波长范围为380～780nm，所述近红外的波长范围为780～3000nm。该场局域增强器件在径向偏振光的偏振模式下光从锥底垂直入射进入，在尖端区域产生很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点处电场局域增强倍数达到最大，所述电场最大值为1853倍。
所述场局域增强器件内层高折射率介质圆锥顶部曲率半径为R2，所述R2为20nm，覆盖其上的低折射率介质薄膜圆锥顶部曲率半径为R3，所述R3为20nm，涂覆在最外层银薄膜的顶点处曲率半径为R4，所述R4为5nm。高折射率介质圆锥顶部曲率半径R2与低折射率介质薄膜圆锥顶部曲率半径R3相等，所述高折射率介质圆锥顶部曲率半径R2与低折射率介质薄膜圆锥顶部曲率半径R3大于银薄膜的顶点处曲率半径R4。
该圆锥形聚焦器件可根据工作波长选择能产生表面等离激元的贵金属材料，如金或银等，结合高折射率介质与低折射率介质层进行结构参数设计，可显著地降低结构内部的损耗，当光从圆锥底端垂直进入结构时，原本限制在结构内部的光更多的被耦合了出来，并在尖端汇集，实现了更强的聚焦性能。
图4是波长为λ＝632.8nm的径向偏振光圆锥形聚焦器件尖端电场模|E|分布图，使用全矢量有限元方法对本实施例进行仿真，图4中的C部分代表波长为λ＝632.8nm的径向偏振光圆锥形聚焦器件顶点处的电场模|E|分布放大图，该场圆锥形聚焦器件顶点处的电场模|E|分布放大图如图5所示，由图5可见，在尖端汇集并且在圆锥顶点有很强的电场增强效应，实现了强聚焦性能。
图6是实施例表面带凹槽的三层圆锥形聚焦器件尖端电场模|E|沿锥底半径方向的分布曲线以及与圆锥顶部距离为5nm和10hm处取其平行线的尖端电场模|E|沿沿锥底半径方向的分布曲线。由图6可见，当波长为λ＝632.8nm的径向偏振光从锥底垂直进入结构时，原本限制在结构内部的光场更多的被耦合了出来，在尖端区域很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点处电场局域增强倍数达到最大，所述电场最大值为1853倍，实现了更强的聚焦性能并且具有器件集成度高的优势。
图7是表面不带凹槽的三层圆锥形聚焦器件尖端电场模|E|沿锥底半径方向的分布曲线以及与圆锥顶部距离为5nm和10nm处取其平行线的尖端电场模|E|沿锥底半径方向的分布曲线。由图7可见，当波长为λ＝632.8nm的径向偏振光从锥底垂直进入结构时，在尖端区域很强的电场增强效应，在圆锥顶点处有电场最大值，且达到了554倍，但不及表面带凹槽的三层圆锥形聚焦器件。
图8是实施例表面带凹槽与不带凹槽的三层圆锥形聚焦器件尖端电场模|E|从顶点沿锥底半径方向的分布曲线对比图。由图8可见，该构建凹槽的圆锥形聚焦器件结构在圆锥顶点处电场局域增强倍数达到最大，相比原本不带凹槽的三层结构的电场局域增强倍数，提升约了3.3倍的聚焦性能。
综上可知，从本实施例的图7和图8比较可以看出，利用三层的表面构建有周期性凹槽，当径向偏振光从圆锥底端垂直进入结构时，原本限制在结构内部的电场更多的被耦合出来，并在尖端汇集，实现了更强的聚焦性能。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，其特征在于：该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，所述圆锥形结构包括两部分，表面带有环状凹槽的上半部分和表面光滑的下半部分；
所述第一层结构为高折射率介质，所述高折射率介质为Si或GaN，其中Si的折射率为3.455，所述第二层结构为低折射率介质，所述低折射率介质为SiO2或MgF2，其中SiO2的折射率为1.445，所述第三层结构为贵金属；
所述上半部分位于圆锥形高度结构的1/2位置处，在圆锥形高度结构的1/2位置处沿第三层结构的外侧斜面往上构建深度为d，周期为L，占空比为1:1的周期性环形凹槽，所述环状凹槽的个数为六个，其截面为平行四边形，周期L为波长的1/2；所述环状凹槽的深度d为30nm，周期L为300nm，1/2L为150nm，所述环状凹槽的深度为d，每个环状凹槽的周期为L，占空比为1:1；
局域增强器件为柱对称锥形结构，所述高折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质薄膜，h1的厚度为50nm，所述低折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的贵金属薄膜，h2的厚度为50nm；整个介质圆锥底面半径为R1，所述圆锥底面半径R1为1000nm，圆锥半锥角为θ，所述圆锥半锥角θ为15°。
2.根据权利要求1所述的一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，其特征在于：在可见光至近红外波段，该场局域增强器件在径向偏振光或线偏振光的偏振模式下光从锥底垂直入射进入，在尖端区域产生很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点处有电场最大值，所述电场最大值为1853倍。
3.根据权利要求1所述的一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件，其特征在于：所述场局域增强器件内层高折射率介质圆锥顶部曲率半径为R2，所述R2为20nm，覆盖其上的低折射率介质薄膜圆锥顶部曲率半径为R3，所述R3为20nm，涂覆在最外层银薄膜的顶点处曲率半径为R4，所述R4为5nm。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于一维金属光子晶体平凹镜的柱矢量 光束亚波长聚焦;仲义;《物理学报》 * |
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| CN108227054A (zh) | 2018-06-29 |
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