[实用新型]调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线

说明书

本实用新型公开了调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，包括衬底和若干个环腔状纳米天线，所述环腔状纳米天线呈柱状结构，柱状结构的中间开设有空腔，空腔内设置有单个或多个不相干的单光子发射器；环腔纳米天线整体放置于环境基质中；本实用新型能产生多个谐振模，同时耦合单光子发射器的激发频段和发射频段，满足不同单光子发射器的斯托克位移，能极大提高单光子发射器的辐射强度；该天线结构能调控单光子发射器的辐射方向性和角度扩散大小，提高光的收集利用效率；该天线结构对单光子发射器的极化排列没有依赖性，能调控多个不相干单光子发射器。本实用新型可广泛用于单分子精度微纳传感、微纳单光子源、量子通信等相关领域。

技术领域

本实用新型涉及单分子精度微纳传感、微纳单光子源（single-photon source）、量子通信等相关领域，具体是调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线。

背景技术

单光子发射器（single-photon emitter）是一种在受外界能量激发后，能够产生单频率或单色光的光子源。常用的单光子发射器有单原子，有机荧光分子和量子点等。单光子发射器自身的尺寸远小于波长，能够对分子甚至原子尺度的物质进行标记，实现传统光学器件无法达到的探测精度。同时，一些单光子发射器（尤其是有机荧光分子和量子点）的表面化学性质可以进行特定的处理，能够针对需要探测的物质进行有选择性的标记（selective-labeling），具有优秀的可调控性，是单分子精度传感，高分辨率成像等领域的核心技术之一。然而在实际中要真正利用单光子发射器，必须解决两个问题：1）单光子发射器自身的辐射强度很小，很难被光电探测器探测；2）单光子发射器的极性排列不受控制，其辐射一般没有方向性。针对上述两个问题，目前的传统技术方案很难克服。

纳米天线是利用亚波长纳米结构的谐振效应调控光的传播强度和方向性的技术。原则上，纳米天线可以实现突破衍射极限的聚光以提供超强的光学近场，能与单光子发射器耦合并调节其局域光子态密度，从而加强激发强度；除此之外还可以通过谐振原理与单光子发射器的发射频段耦合进一步加强其发射强度，使得其能够被光电探测器探测。不仅如此，纳米天线对周边介质环境的灵敏感应、出色的设计灵活性以及其小，轻，薄的优势，可以与不同的单光子发射器进行灵活搭配，便于工艺制备。目前已知的纳米天线通常只对单光子发射器的某一极化排列有增强作用，而在实际应用中多个单光子发射器通常同时存在，且互相之间的辐射是不相干的。同时，单光子发射器的激发频段和发射频段之间存在着几十至几百纳米的斯托克位移（Stoke-shift），常见的简单纳米天线设计很难同时增强其激发强度和发射强度，而复杂的纳米天结构对外延设备要求高、制备难度大。因此，设计一种制备简单且能同时增强单光子发射器激发强度和发射强度的纳米天线，实现对多个随机不相干单光子发射器的辐射强度和方向性的调控，具有重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，该天线结构能用于调控的多个随机不相干单光子发射器的辐射强度和方向性，并且可以针对任意单光子发射器的斯托克位移（Stoke-shift）进行设计优化，且制备简单。

为实现上述目的，本实用新型采用技术方案如下：

调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：包括衬底和若干个环腔状纳米天线，所述环腔状纳米天线呈柱状结构，柱状结构的中间开设有空腔，空腔腔体内设置有单个或多个不相干的单光子发射器。

所述环腔状纳米天线的材质可以采用表面等离激元金属，例如：Au、Ag、Cu、Al等，也可以采用高折率电介质材料，例如：Si、GaAs、GaP、Ge、TiO2等，但不限于前述两类材料。

所述若干个环腔状纳米天线可呈一定阵列结构布局于衬底上，具体的阵列布局方式可根据实际应用要求调整布局。