[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

说明书

技术领域

本发明涉及微纳尺度光学器件，具体涉及一种能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔及其制备方法和应用。

背景技术

目前，表面等离激元SPP电磁场聚焦，主要是通过设计金属结构或者调整入射光源将产生的SPP汇聚实现能量聚焦。但是，在SPP聚焦过程中，金属结构吸收损耗比较大，即品质因子Q较小，而且，入射光源利用率不高。此外，如何将聚焦的能量进一步从金属结构中耦合出来加以利用也是一大难点。

发明内容

本发明旨在通过耦合环形电介质布拉格(Bragg)纳米微腔和金属表面等离激元透镜，形成耦合光子-等离激元纳米微腔，以克服单独金属聚焦结构能量损耗较大、单独光子晶体结构局域电磁场能力较弱的缺点。

本发明的一个目的在于提出一种能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔。

本发明的能量聚焦的耦合光子-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。

Bragg纳米微腔包括中心电介质圆柱和外围两种不同折射率的同心电介质圆环，同心电介质圆环的周期在600～1600nm之间，高度在100～200nm之间。通过调节电介质圆环的折射率和宽度，使得波导模式在两种电介质的界面发生反射时满足Bragg反射条件。中心电介质圆柱的材料与两种同心电介质圆环中的一种相同。

耦合层采用电介质材料，例如二氧化硅；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。

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同心金属圆环，衬底采用金或银；中心圆柱和金属圆环采用金或银。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。

在实际应用中，本发明的耦合光子-等离激元微腔可以和其他纳米结构进一步耦合，将耦合光子-等离激元微腔中的能量耦合出来，实现巨大的电场、磁场增强。本发明给出了两种典型的纳米结构，分别为增强电场的蝴蝶结纳米天线和增强磁场的磁振子，放置在Bragg纳米微腔的上表面中心。蝴蝶结纳米天线由一对金属等边三角形构成，磁振子由金属-电介质-金属圆柱三明治结构构成，蝴蝶结纳米天线或者磁振子与耦合光子-等离激元微腔耦合，能够进一步有效地将聚焦能量耦合到蝴蝶结纳米天线或者磁振子中，能量被局域在几十甚至几个纳米范围。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。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。

本发明的另一个目的在于提供一种能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔的制备方法。

本发明的能量聚焦的耦合光子-等离激元微腔的制备方法，包括以下步骤：

1)提供衬底，衬底采用金或银；