CN112928465B - 一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法 - Google Patents

一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，属于激光加工应用技术领域。本发明通过斜入射聚焦飞秒激光进行单点加工，调控后续脉冲错位加工并调整偏移方位，利用前序结构边缘与飞秒激光之间的夹角任意性，无需借助外加条件即可通过简易控制飞秒激光制造微纳光栅结构并改变其周期，随后再利用物镜聚焦加工得到纳米喷射颗粒，制备出可在多波段进行近场增强的复合纳米天线。本发明解决了目前纳米天线近场增强波段单一的限制，利用飞秒激光斜入射错位单点加工制备微纳光栅及改变其周期的方法简便易行，避免了液体环境或其他加工环境对样品造成影响，可广泛应用于光学通讯、传感、纳米光电器件等领域。

Description

一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法
技术领域
本发明涉及一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，属于激光加工应用技术领域。
背景技术
光学纳米天线可以在纳米量级波段对远场光辐射进行局域化、调控和增强，这种局部“热点”的形成可以显著提高光电器件的性能，引起了纳米光子学领域学者的广泛研究。金属纳米颗粒作为最简单的纳米天线，可以接收入射电磁波后通过产生表面等离子体激元来收集和束缚电磁能量，但其对远场电磁波的增强作用十分有限。因而有学者提出将对光有衍射作用和独特偏振特性的微纳光栅结构与金属纳米颗粒结合来制作复合纳米天线，从而提高近场场强[Kulchin YN,et al.Flash-Imprinting of Intense FemtosecondSurface Plasmons for Advanced Nanoantenna Fabrication.Optics Letters,2015,40(8),1687.]。但该文献中所述方法仅能制造出单一周期的微纳光栅结构，因而对远场光辐射的增强波段存在局限性，大大限制了光学纳米天线的应用范围。飞秒激光诱导的微纳光栅结构是由在激光扫描过程中后续脉冲与前序脉冲诱导产生的表面等离子体激元相互耦合而形成，其周期约等于激光诱导的等离子体激元的波长，这一周期与入射波长、加工样品材料属性以及入射介质的属性有关。因此，想要得到不同周期的微纳光栅结构，常用的方法是从入射波长入手，如有学者采用800nm和400nm激光干涉在硒化锌表面诱导从而得到不同周期的纳米光栅结构[Jia TQ,et al.Formation of nanogratings on the surface of aZnSe crystal irradiated by femtosecond laser pulses.Phys.Rev.B 2005,72(12).]；或改变入射介质，如将空气替换为水、酒精、玻璃或者其他折射率的材料，得到比空气中加工周期更小的微纳光栅[Huo Y,et al.Formation of high spatial frequency ripplesin stainless steel irradiated by femtosecond laser pulses in water.LaserPhysics 2013,23(5),377-382.]。这些加工方法均需要借助外加条件，如改变波长需使用光学参量放大器(OPA)或β相偏硼酸钡(BBO)晶体，且得到的光束能量损失较大，需要很强的原始光束供给；而改变加工环境可能会对加工样品本身造成影响。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，该方法通过斜入射聚焦飞秒激光进行单点加工，调控后续脉冲错位加工并调整偏移方位，利用前序结构边缘与飞秒激光之间的夹角任意性，无需借助外加条件即可通过简易控制飞秒激光制造微纳光栅结构并改变其周期，随后再利用物镜聚焦加工得到纳米喷射颗粒，制备出可在多波段进行近场增强的复合纳米天线，具有操作灵活、简单且增强波段可控的优点。
为实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：
一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，具体加工步骤如下：
步骤一：在硅基底表面利用真空磁控溅射镀粘附层和金属膜层，利用飞秒激光通过去除部分区域金属层的方式加工出前序环形区域；利用飞秒激光斜入射辐照环形区域四周，基于飞秒激光与环形区域四周不同边缘位置的夹角不同以及表面等离子体激元振荡效应，在环形区域周围加工出多个不同周期的微纳光栅结构；
步骤二：飞秒激光垂直入射于前序环形区域的中心，减小能量加工出纳米喷射颗粒；
步骤三：所述纳米颗粒作为纳米天线与不同周期的微纳光栅结构结合形成复合纳米天线结构，微纳光栅结构的多周期性可在多波段内将远场电磁波转化为近场电磁波并增强场强。
通过去掉部分区域金属层的方式加工出前序环形区域的方法为：飞秒激光单脉冲直写加工。
所述粘附层材料优选Cr，厚度为3～5nm；金属膜层可以是任意与飞秒激光相互作用后可激发表面等离子体激元的金属，优选Au或Ag等贵金属，厚度为20～50nm。
所述飞秒激光入射方式为斜入射透镜聚焦，斜入射角度为30°～60°，入射光斑尺寸为5～6mm，平凸透镜焦距f＝150mm，飞秒激光能量为15～20μJ。
步骤一所述在环形区域周围加工出多个不同周期的光栅结构的方法为：移动样品台使飞秒激光斜入射聚焦于前序环形结构的四周进行单脉冲加工，所述移动距离为前序结构移动方向直径的1/2～2/3为最佳。
步骤二所述环形中心区域加工出纳米喷溅颗粒的方法为：飞秒激光垂直入射聚焦于前序环形结构中心，所述聚焦物镜倍数为20×，NA值为0.45，飞秒激光能量为0.03～0.04μJ。
有益效果
1、本发明采用的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法解决了目前纳米天线近场增强波段单一的限制，利用飞秒激光斜入射错位单点加工制备微纳光栅及改变其周期的方法简便易行，无需改变波长，避免了复杂的仪器控制和能量损失。
2、本发明所述方法无需改变加工环境，扩大了可加工样品的材料范围，避免了液体环境或其他加工环境对样品造成影响。
3、本发明所述方法可调控性强，本发明中为描述方便仅选取了四个方位，在实际操作过程中移动方位不限于上下左右四个方位，可以是任意方位，且第一个脉冲所加工得到的结构边缘可控，意味着该结构与飞秒激光之间的加工角度也可任意调控，即本发明所述方法可加工出可控周期的微纳光栅结构，所制备得到的复合纳米天线可实现多波段的光场增强。
附图说明
图1为本发明所述方法加工示意图，其中图(a)为磁控溅射制备Au薄膜样品，图(b)为飞秒激光斜入射加工前序结构，图(c)为飞秒激光错位加工微纳光栅结构，图(d)为飞秒激光正入射加工纳米喷射颗粒结构。
附图标记：1-Si基底，2-Au膜，3-Au靶材，4-平凸透镜，5-初始脉冲加工结构，6-上方位加工得到的近波长纳米光栅，7-左方位加工得到的亚波长纳米光栅，8-右方位加工得到的微米光栅，9-聚焦物镜。
图2为本发明的飞秒激光在第一个脉冲加工结构的上下左右四个方位加工后的表面形貌图，其中图2(a-d)分别为共聚焦显微镜观测到的上、下、左、右方位加工结构形貌图；
图3为本发明所述方法加工后得到的四个方位结构分别对应的横切面高度图，可以看出图3(a,b)为上下方位加工，得到的纳米光栅周期约为800nm左右；图3(c)为左方位加工得到的纳米光栅，周期为400nm左右；图3(d)为右方位加工得到的微纳光栅，周期为1.3μm左右。
图4为纳米喷射颗粒与微纳光栅结构复合后对远场电磁波800nm场强的增强对比图，其中图(a)为仅有纳米喷射颗粒结构，图(b)为纳米喷射颗粒结构与400nm周期的纳米光栅结构复合，图(c)为纳米喷射颗粒结构与800nm周期的纳米光栅结构复合。
图5为纳米喷射颗粒与微纳光栅结构复合后对远场电磁波400nm场强的增强对比图，其中图(a)为仅有纳米喷射颗粒结构，图(b)为纳米喷射颗粒结构与800nm周期的纳米光栅结构复合，图(c)为纳米喷射颗粒结构与400nm周期的纳米光栅结构复合。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其具体加工示意图如图1所示：
步骤一：准备10mm*10mm*1mm的单晶硅样品1，利用无水乙醇超声清洗硅基底，在其表面利用真空磁控溅射的方法先镀一层5nm厚的金属Cr作为粘附层，再轰击靶材3镀一层50nm厚的Au膜2，此处所镀金属膜可以是任意与飞秒激光相互作用后可激发表面等离子体激元的金属，优选Au或Ag。
步骤二：调节飞秒激光加工光路使激光斜入射单点加工前序结构
(1)调节飞秒激光经过的最后一个反射镜，使其呈45°入射到样品台(斜入射角度可调节范围为30°～60°)。
(2)调节激光加工光路中的光阑大小，限制未聚焦前的激光光斑直径为5mm，从而使激光能量更加均匀。
(3)调节连续衰减片和半波片偏振片组合调节能量，控制激光能量大小为15μJ。
(4)如图1所示，采用焦距f＝150mm的平凸透镜4对飞秒激光进行聚焦，调节样品平移台的上下位置，使聚焦后的飞秒激光聚焦于样品表面。
(5)调节激光器的出光模式为触发模式，单点加工出如图1中所示结构5。
步骤三：二次触发飞秒激光错位加工微纳光栅结构
(1)根据第一束脉冲加工得到的结构尺寸(长轴约30μm，短轴约20μm)，控制平移台程序前后左右移动平移台，首先向前移动15μm，触发第二束脉冲进行加工，如图1中结构6所示，得到特定周期的微纳光栅结构，结构表面形貌和光栅结构横切面图如图2(a)和图3(a)所示，光栅周期约为800nm。
(2)控制平移台程序回归到前序结构所在位置，向右移动平移台20μm，使第二束脉冲错位加工在前序结构的左侧，如图1中结构7所示，得到周期约为400nm的纳米光栅结构，结构表面形貌和光栅结构横切面图如图2(c)和图3(c)所示。
(3)重复步骤(2)，改为向左移动平移台20μm，得到在前序结构右侧错位加工形成的微纳光栅结构，如图1中结构8所示，周期约为1.3μm，表面形貌和光栅结构横切面图如图2(d)和图3(d)所示。
步骤四：物镜聚焦飞秒激光加工纳米喷射颗粒
(1)调节飞秒激光加工光路使激光垂直于样品台入射，如图1(d)所示，利用20×物镜将飞秒激光聚焦于前序结构中心，调节激光加工焦点于样品表面。
(2)调整连续衰减片和半波片偏振片组合减小能量，控制激光能量范围为0.03μJ。
(3)调节激光器的出光模式为触发模式，在步骤二所得到的结构中心单点加工出纳米喷射颗粒9。该纳米颗粒作为纳米天线与不同周期的微纳光栅结构结合形成复合结构，可在多波段内将远场电磁波转化为近场电磁波并增强场强。如图4和图5所示，加工得到的400nm周期和800nm周期的微纳结构复合纳米天线，可分别针对400nm和800nm波段的光场进行显著增强。
因此，本发明采用的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法可在多波段内有效增强近场场强。该方法简便易行，利用飞秒激光斜入射错位单点加工时前序结构边缘与飞秒激光之间的夹角任意性可实现微纳光栅结构周期的任意调控，该可控周期的微纳光栅结构与纳米喷射颗粒结合所形成的的复合纳米天线可实现可选择性波段的光场增强。本发明所述方法无需改变波长，避免了复杂的仪器控制和能量损失；无需改变加工环境，扩大了可加工样品的材料范围，避免了液体环境或其他加工环境对样品造成影响；且本方法可调控性强，本发明中为描述方便仅选取了四个方位，在实际操作过程中移动方位不限于上下左右四个方位，可以是任意方位，且第一个脉冲所加工得到的结构边缘可控，意味着该结构与飞秒激光之间的加工角度也可任意调控，即本发明所述方法可加工出可控周期的微纳光栅结构，所制备得到的复合纳米天线可实现多波段的光场增强。
本说明书所述的具体实例，对发明的目的、实施方法和有益效果进行了进一步详细说明。但本领域技术人员所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，如本发明所采用的样品不限于Au膜，加工透镜不限于焦距f＝150mm的平凸透镜，对于其他物镜，相应的加工参数需要重新确认合适值。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其特征在于：具体加工步骤如下：
步骤一：在硅基底表面利用真空磁控溅射镀粘附层和金属膜层，利用飞秒激光通过去除部分区域金属层的方式加工出前序环形区域；利用飞秒激光斜入射辐照环形区域四周，基于飞秒激光与环形区域四周不同边缘位置的夹角不同以及表面等离子体激元振荡效应，在环形区域周围加工出多个不同周期的微纳光栅结构；
步骤二：飞秒激光垂直入射于前序环形区域的中心，减小能量加工出纳米喷射颗粒；
步骤三：所述纳米喷射颗粒作为纳米天线与不同周期的微纳光栅结构结合形成复合纳米天线结构，微纳光栅结构的多周期性可在多波段内将远场电磁波转化为近场电磁波并增强场强。
2.如权利要求1所述的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其特征在于：通过去掉部分区域金属层的方式加工出前序环形区域的方法为：飞秒激光单脉冲直写加工。
3.如权利要求1所述的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其特征在于：所述粘附层材料优选Cr，厚度为3~5nm；金属膜层可以是任意与飞秒激光相互作用后可激发表面等离子体激元的金属，厚度为20~50nm。
4.如权利要求3所述的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法,其特征在于：所述金属膜层优选Au或Ag贵金属。
5.如权利要求2所述的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其特征在于：所述飞秒激光入射方式为斜入射透镜聚焦，斜入射角度为30°~60°，入射光斑尺寸为5~6mm，平凸透镜焦距f=150mm，飞秒激光能量为15~20μJ。
6.如权利要求1所述的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其特征在于：步骤一所述在环形区域周围加工出多个不同周期的光栅结构的方法为：移动样品台使飞秒激光斜入射聚焦于前序环形结构的四周进行单脉冲加工，移动距离为前序环形结构移动方向直径的1/2~2/3为最佳。
7.如权利要求1所述的简易制备多波段近场增强复合纳米天线的方法，其特征在于：步骤二所述环形中心区域加工出纳米喷溅颗粒的方法为：飞秒激光垂直入射聚焦于前序环形结构中心，聚焦物镜倍数为20×，NA值为0.45，飞秒激光能量为0.03~0.04μJ。
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