[发明专利]一种增强表面等离子体光场激发强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于显微成像领域，涉及一种增强表面等离子体光场激发强度的方法，特别适用于超分辨成像和表面等离子体干涉光刻中结构照明的激发增强。

背景技术

光学显微成像技术广泛应用于生物学、细胞学、材料学等研究领域。对于样品表层形貌的显微成像，通常采用棱镜全内反射所产生的倏逝光场照明样品表层，避免样品内部散射光干扰成像效果。全内反射显微成像技术的纵向分辨力通常由倏逝波的趋肤深度决定，即倏逝光场的纵向衰减越快，纵向分辨力越高。然而，棱镜激发所产生倏逝光场的局域特性有限，全内反射显微成像技术的纵向分辨力为100nm～200nm。对于能够清晰地观测到纵向50nm、甚至更薄样品的表层信息，则需要激发趋肤深度更小的倏逝光场作为照明光源。

近年来，表面等离子体(Surface Plasmons,SP)作为电磁波耦合自由电子激发产生的表面电磁模式，激发产生的SP波横向波矢远大于照明光波矢；这意味着SP波的纵向局域能力比棱镜全内反射产生的倏逝光场更强。与此同时，金属/介质多层膜光学材料的超衍射光学特性为空间频谱和透射振幅操控提供了可能。利用SP波纵向的高度局域特性和金属/介质多层膜材料的频谱裁剪，完全能够实现特定单一空间频谱的SP波作为用于样品表层显微照明光源。然而，对于金属/介质多层膜对空间频谱操控，膜层材料的虚部吸收对空间频谱范围和透射振幅影响很大。通常金属/介质多层膜频谱滤波激发产生的表面等离子体光场激发强度很低，极大地降低了照明光的能量利用率；同时也限制了表面等离子体光场实际应用时探测器最小探测强度的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对金属/介质多层模激发产生表面等离子体光场强度低的问题，提出一种增强表面等离子体光场激发强度的方法。该设计方法能够实现特定单一倏逝频谱的表面等离子体光场激发，激发强度极大地提高。该设计方法可用于超分辨成像和表面等离子体干涉光刻等方面的结构照明。

本发明解决其技术所采用的技术方案：增强表面等离子体光场激发强度的器件，其特征在于，所述器件包括：

透明基底；

用于对照明光衍射出各级次平面波的纳米结构层；

用于对照明光衍射出各级次平面波进行空间频谱范围和透射振幅调制的金属/介质多层膜；

用于增强金属/介质多层膜滤波产生表面等离子体光场激发强度的激发增强层。

其中，所述透明基底的材料可以选择石英或蓝宝石。

其中，所述纳米结构层包括衍射结构层和波导共振层两部分；衍射结构层首先将照明光衍射出各级次平面波；波导共振层用于对衍射结构层的平坦化，以及增强衍射出各级次平面波中特定级次的激发效率；

所述衍射结构层可以为不透光的金属膜层材料，也可以为透光的介质膜层材料，衍射结构层的结构形状可以制备为规则的几何体、或不规则的任意面型；所述衍射结构层上的结构分布可以是均匀的、或非均匀的，可以是一维、或二维结构；厚度选择通常为20nm～100nm；

所述波导共振层为透光的介质膜层材料；膜层材料可选择高折射率介质材料氧化钛、氮化硅或碳化硅；厚度选择通常为20nm～200nm。

其中，所述金属/介质多层膜为交替金属和介质膜层，金属/介质多层膜的对数范围为2～12；金属/介质多层膜中的金属膜层材料可以选择贵金属金、银或铝，或者选择掺杂金属；金属膜层的厚度范围为10nm～40nm，制备的各金属膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变；介质膜层材料可以选择二氧化硅、三氧化二铝或氟化镁，介质膜层的厚度范围为10nm～80nm，制备的各介质膜层厚度可以相等，也可以厚度渐变。

其中，所述激发增强层的厚度范围为10nm～50nm；激发增强层的材料可以选择贵金属金、银或铝，或者选择掺杂金属。

本发明另外提供一种增强表面等离子体光场激发强度的方法，其特征在于：照明光从上述器件的透明基底底部入射，经过纳米结构层对照明光的衍射和金属/介质多层膜对衍射出各级次平面波的空间频谱范围和透射振幅调制，最终在激发增强层的上表面形成纵向5nm～50nm范围内倏逝的表面等离子体光场；表面等离子体光场的激发强度极大地提高。

其中，照明光可以为紫外光、可见光、甚至红外波段。

其中，纳米结构层将照明光衍射为各级次平面波；改变纳米结构层的衍射结构层的结构分布调节各级次平面波的空间频谱；改变纳米结构层的共振激发层厚度调节各级次平面的激发强度。