[发明专利]能量聚焦的耦合光子‑等离激元微腔及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述耦合光子-等离激元微腔包括：Bragg纳米微腔、耦合层和金属表面等离激元透镜；其中，Bragg纳米微腔由中心电介质圆柱和外围两种不同折射率的等高同心电介质圆环交替排列形成的Bragg层构成，两种电介质圆环的折射率以及环的宽度满足Bragg反射条件；金属表面等离激元透镜包括金属衬底以及在衬底上的中心金属圆柱和外围周期性排列的等高同心金属圆环；Bragg纳米微腔和金属表面等离激元透镜之间通过耦合层连接，并且填充表面等离激元透镜金属圆环之间的空隙；入射波为线偏振平面波，垂直入射至耦合光子-等离激元微腔，入射波电场E₀分解为方位角分量E_α和径向分量E_r，入射波磁场H₀分解为方位角分量H_α和径向分量H_r；入射波首先在Bragg纳米微腔作用下发生衍射，转换成面内波导模式，波导模式利用了入射波电场方位角分量E_α和磁场径向分量H_r，波导模式在两种电介质同心环的界面处发生反射，向Bragg纳米微腔的中心传播并聚焦；透过Bragg纳米微腔的入射波，在金属表面等离激元透镜的作用下，转换成表面等离激元SPP模式，SPP模式利用了入射波电场径向分量E_r和磁场方位角分量H_α，SPP模式向金属表面等离激元透镜的中心传播并聚焦；在耦合层的作用下，波导模式和表面等离激元模式相互作用；通过调节耦合层的折射率和厚度，使得波导模式和表面等离激元模式耦合最强，最终形成了耦合光子-等离激元模式，将能量聚焦在Bragg纳米微腔中心。

2.如权利要求1所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述耦合光子-等离激元微腔与蝴蝶结纳米天线或者磁振子耦合，将耦合光子-等离激元微腔中的能量耦合出来，所述蝴蝶结纳米天线或者磁振子放置在Bragg纳米微腔的上表面中心。

3.如权利要求1所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述Bragg纳米微腔的外围同心电介质圆环，周期在600～1600nm之间，高度在100～200nm之间。

4.如权利要求1所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述耦合层采用电介质材料；耦合层的上表面高出同心金属圆环上表面的距离为L，通过调节距离L和耦合层的折射率，使得波导模式和表面等离激元模式耦合最强；距离L在10～300nm之间。

5.如权利要求1所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述金属表面等离激元透镜的衬底采用金或银；中心圆柱和金属圆环采用金或银。

6.如权利要求1所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述金属表面等离激元透镜的金属圆环的周期为SPP波长的整数倍，金属圆环的周期在400～1200nm之间，高度在40～60nm之间。

7.如权利要求2所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述蝴蝶结纳米天线由一对金属等边三角形构成；所述蝴蝶结纳米天线的边长在50～500nm之间，高度在5～20nm之间，倒角在0～10nm之间，中间的间隙在3～20nm之间。

8.如权利要求2所述的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述磁振子由金属-电介质-金属圆柱三明治结构构成；圆柱状的磁振子的直径在100～300nm之间，每一层高度在30～100nm之间。

9.一种能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)提供衬底，衬底采用金或银；

2)在衬底上制备中心金属圆柱和周期性排列的同心金属圆环，形成金属表面等离激元透镜，金属圆环采用金或银；

3)在金属表面等离激元透镜的上表面填充耦合层，耦合层填充金属表面等离激元透镜的同心金属圆环之间的空隙，并且上表面高出同心金属圆环的上表面；

4)在耦合层上制备中心电介质圆柱以及两种不同折射率交替排列的电介质同心圆环，形成Bragg纳米微腔。

10.一种如权利要求1所述的能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔，其特征在于，所述耦合光子-等离激元微腔用作单分子拉曼光谱检测装置，分子表面增强红外吸收光谱检测装置，光刻微加工中的纳米点光源，以及折射率传感器或者生物传感器。