微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针

摘要

一种高空间分辨率和高灵敏度的微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针。该光学探针由微介质锥和纳金属光栅构成，纳金属光栅沿微介质锥的外表面分布，微介质锥以较大的口径尽可能地收集入射光能并向锥顶端汇聚，纳金属光栅将汇聚的光能高效地耦合转化为表面等离激元，使其沿锥面不断压缩和聚焦，在锥的尖端形成纳米聚焦的高局域强场。同时通过改变和优化微介质锥顶角、光栅结构和参数以及出口尺寸大小可以实现纳米聚焦的调控和优化。本发明可用作扫描近场显微镜、原子力显微镜和针尖增强拉曼光谱仪的探针，光学探针形成的强纳米聚焦可作为纳米光刻和亚波长光通讯的光源，在纳米传感、纳米成像、纳米光刻和亚波长光通信等诸多领域有重要应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及微纳米光学器件、表面等离子体激发和纳米聚 焦，特别是一种高空间分辨率和高灵敏度的光学探针。

背景技术

如何将光能高效地聚集、传输并限制在纳米区域，是近年来光子学、等离激元学和纳 米光学领域关键的基础科学和技术问题，对于提高纳米光刻、纳米传感和纳米成像的分辨 率和灵敏度至关重要。利用纳米金属结构将入射光转化为表面等离激元，然后导引到高度 受限的纳米区域，形成局域化的电磁场，是突破传统光学衍射极限实现超聚焦的最有效可 行方法。国内外已经提出了各种纳米金属结构导引表面等离子体模，主要包括纳米金属颗 粒链、柱状纳米金属棒、纳米金属间隙、纳米金属楔、纳米金属金字塔、纳米金属槽和纳 金属锥。与球形、方形、柱状以及金字塔等纳米金属结构相比，纳金属锥结构首先将入射 光能量转化为表面的离子体波，然后顺着锥形结构逐渐压缩，同时表面等离子体波的相速 度和群速度不断减小，在锥形的尖端转化成高度受限的等离子体模，形成高度局域化的电 磁场分布，从而得到纳米聚焦。但是由于纳金属锥的入口尺寸非常有限，因此纳金属锥仅 能收集很少部分的入射光能，从而制约了其顶端聚焦能量的进一步提高。

发明内容

本发明目的是解决纳金属锥入口小、收集光能量少的问题，提供一种由微介质锥和纳 金属光栅构成的高空间分辨率和高灵敏度的光学探针。

本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针， 由微介质锥和纳金属光栅构成，微介质锥的折射率为n_d，介电常数为ε_d，微介质锥的大 底面是光能的入口端，直径为d_inc，微介质锥的小底面是光能的出口端，直径为d_out，d_inc在微米量级，d_out在纳米量级，微介质锥的锥角为2θ。纳金属光栅沿微介质锥的外表面分 布，将微介质锥收集和汇聚的光能高效地耦合转化为表面等离激元，使其沿锥面不断压缩 和聚焦，在锥的尖端形成纳米聚焦的高局域强场；纳金属光栅的介电常数为ε_m，周期为Λ_g， 在光能的出口端，纳金属光栅的形状为锥形，厚度从t线性变化为0，其他部分的厚度均 为t，在一个周期内，金属所占的长度为a，空气所占的长度为b，a+b=Λ_g，Λ_g在微纳 米量级，t在纳米量级。

所述的微介质锥，以较大的口径尽可能地收集入射光能，使其向锥顶端汇聚，光能量 从其较大的底面入射，从较小的底面（尖端）出射。微介质锥的折射率和锥角的大小决定 了正入射的光是否在其内部发生全反射，当时，光在锥面发生全发射， 经多次反射后，大部分光能量被聚集到介质锥的顶端。当时，光在锥面 发生反射和折射，经多次反射后，一部分光能量被聚集到介质锥的顶端，一部分光能量折 射出微介质锥。

所述的纳金属光栅的周期Λ_g由下式确定：

${\Lambda }_g=\frac{{\lambda }_{\mathrm{inc}}}{m}·\frac{1}{\sqrt{\frac{{ϵ}_d{ϵ}_m}{{ϵ}_d+{ϵ}_m}}-n_d\cos \theta }$

其中：λ_inc是入射光的波长，m是正整数。Λ_g在微纳米量级，t在纳米量级。m越小，纳 金属光栅越容易加工，一般地，取m=1。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的微介质锥以较大的口径尽可能地收集入射光能，使其向锥顶端汇聚， 纳金属光栅将微介质锥收集和汇聚的光能高效地耦合转化为表面等离激元，使其沿锥面不 断压缩和聚焦，在锥的尖端形成纳米聚焦的高局域强场。同时通过改变和优化微介质锥顶 角、光栅结构和参数以及出口尺寸大小可以实现纳米聚焦的调控和优化。

本发明为扫描近场显微镜、原子力显微镜和针尖增强拉曼光谱仪提供了更高空间分 辨和更高灵敏度的探针，光学探针形成的强纳米聚焦可作为纳米光刻和亚波长光通讯的光 源。

在纳米传感、纳米成像、纳米光刻和亚波长光通信等诸多领域有重要应用价值。

附图说明

图1是微介质锥和纳金属光栅复合构成的高空间分辨率和高灵敏度的光学探针结构 图。

图2是当时，微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的纳米聚 焦。

图3是其他几种光学探针产生的纳米聚焦，其中，(a)是在纳金属光栅厚度保持不变， 即在探针顶端，金属光栅不是锥形时，微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的纳米 聚焦，(b)是微介质锥和纳金属膜复合的光学探针产生的纳米聚焦，(c)是纳金属锥孔产生 的纳米聚焦，(d)是当时，微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的 纳米聚焦。

图中：1.微介质锥2.纳金属光栅。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的微介质锥和纳金属光栅复合的 光学探针，由微介质锥和纳金属光栅构成，微介质锥的折射率为n_d，介电常数为ε_d，微 介质锥的大底面是光能的入口端，直径为d_inc，微介质锥的小底面是光能的出口端，直径 为d_out，d_inc在微米量级，d_out在纳米量级，微介质锥的锥角为2θ。纳金属光栅沿微介质 锥的外表面分布，纳金属光栅的介电常数为ε_m，周期为Λ_g，在光能的出口端，纳金属光 栅的形状为锥形，厚度从t线性变化为0，其他部分的厚度均为t，在一个周期内，金属所 占的长度为a，空气所占的长度为b，a+b=Λ_g，Λ_g在微纳米量级，t在纳米量级。

本发明中微介质锥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出微介质锥结 构；

（2）利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将微介质锥转移到光学玻璃上。 本发明中纳金属光栅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）利用对向靶直流磁控溅射方法在微介质锥1上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；

（2）利用聚焦离子束刻蚀技术在纳金属膜上刻蚀纳金属光栅。

具体应用实例1

微介质锥1和纳金属光栅2构成的高空间分辨率和高灵敏度的光学探针

1、微介质锥1的具体参数以如下为例：

材料为玻璃，折射率n_d=1.5，ε_d=2.25，大底面直径 为d_inc=10.07μm，小底面直径为d_out=10nm，锥角2θ=78°，光 在锥面发生全发射。

2、纳金属光栅2的具体参数以如下为例：

材料为银，入射波长λ_inc=800nm，相对介电常数ε_m=-30.1495+0.3932i，根据 取m=1，求得周期Λ_g=2μm，其中选取a=b=1μm，厚度 t=200nm。

图2是满足上述各种优化条件下，微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的纳米 聚焦，其电场的最大强度为466.0647a.u.。

图3(a)是在纳金属光栅厚度保持不变，即在探针顶端，金属光栅不是锥形时，微介质 锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为131.5695a.u.；图 3(b)是微介质锥和纳金属膜复合的光学探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为 232.9147a.u.；图3(c)是单纯的纳金属锥孔产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为358.9959 a.u.；图3(d)是当θ=51°，即时微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产 生的纳米聚焦，其电场的最大强度为314.3648a.u.。

因此当满足本专利提出的各种优化条件时，微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产 生的纳米聚焦强度，是在纳金属光栅厚度保持不变，即在探针顶端，金属光栅不是锥形时， 微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的纳米聚焦强度的3.54倍；是微介质锥和纳 金属膜复合的光学探针产生的纳米聚焦强度的2.00倍；是纳金属锥孔产生的纳米聚焦的 1.30倍；是当时微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针产生的纳米聚焦 的1.48倍。