[发明专利]微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场耦合模拟方法

说明书

本发明公开了一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构及其光场模拟耦合方法，三维锥形金属波导结构包括：三维空心锥形金属波导以及介电微球体；其中，所述介电微球体设置在所述三维空心锥形金属波导内，并与所述三维空心锥形金属波导的内壁相切；所述三维空心锥形金属波导的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角。本发明通过提出在大锥角(非绝热条件)、大入射端口的三维空心锥形金属波导内壁嵌入介电微球体来构建光学共振腔，并结合波导结构优化设计，利用高阶传输模耦合共振激发和有效传输压缩GSPs。

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场耦合模拟方法。

背景技术

纳米聚焦，即将光能有效地传递和集中到纳米尺度，成为现代纳米光子学和纳米光学中的一个重要课题,将光转化为表面等离子体极化子(SPPs)被认为是实现这一目标的最有希望的方法之一。典型的等离子体纳米聚焦是用锥形波导实现的。这种锥形波导可分为两类：绝缘体金属绝缘体(IMI)结构，如锥形金属棒、纳米棒、金属薄膜锥和纳米边缘用于慢表面等离子体(SSP)纳米聚焦；MIM结构，如锥形场线，锥形间隙，锥形V-沟槽，用于间隙表面等离子体(GSPs:gap surface plasmons)纳米聚焦。与锥形IMI结构相比，锥形MIM结构具有较高的场增强(FE)能力，可以增强纳米尺度的受限光斑，不受外界背景的影响。

作为孔径近场扫描光学显微镜(NSOM：near-field scanning opticalmicroscopy)探针。有效地将电磁辐射耦合到锥形等离子体波导中是实现等离子体纳米聚焦的关键。大比例尺输入口的SPP激励进入纳米区域后，在理论上会产生极高的FE值。然而，对于锥形MIM结构，GSP通常是由最低阶传输模式(TM₀)激发的，使用的是“fire-end”耦合方法。为了减小反射和散射损耗，锥形MIM结构的锥度角和输入入口的尺寸一般都小于临界锥角(通常小于10度)，以满足绝热条件。

其存在如下问题：

1、与常用的大锥角(通常在30-120度之间)铝包层中空锥形金属波导(ATMW:aperture tapered metallic waveguide)相比，小锥角锥形金属波导间隙(TMWG：taperedmetallic waveguide gap)不够坚固和耐用；

2、TMWG通常以贵金属(金或银)为材料，其金属壁须远厚过铝包层才能阻止光场泄露(因贵金属的穿透深度远大于铝)；

3、TMWG通常采用“fire-end”法直接利用最低阶传输(TM₀)模耦合激发SPPs，为降低金属吸收和反射损耗，提高GSPs激发效率，入射端口尺寸一般不能大于一个光波长，从而增大了入射光场的耦合难度并限制了光场功率密度的提高；

4、孔径处获得的传输光场源自ATMW中光场最低阶传输(TM₀)模截止及其隐失场衰减辐射，耦合效率会随孔径尺寸减小急剧降低。因此，采用ATMW隐失衰减法通常只能获取较低功率密度的低噪声亚波长量级传输光场，这极大地限制了ATMW在超高分辨近场成像、超高密度存储、纳米光刻以及局域非线性等研究领域的应用推广。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场模拟耦合方法，能够在大锥角和大入射端口下提高光场耦合效率。

本发明实施例提供了一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构，包括：三维空心锥形金属波导以及介电微球体；其中，所述介电微球体设置在所述三维空心锥形金属波导内，并与所述三维空心锥形金属波导的内壁相切；所述三维空心锥形金属波导的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角。

优选地，所述三维空心锥形金属波导的包层材料为铝材料。

优选地，所述三维空心锥形金属波导的锥角端形成有开口，所述开口的孔径宽度为200nm。