[发明专利]一种基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法

说明书

本发明涉及一种产生宽带横向单向散射的纳米光学方法，属于新型纳米光学技术领域。本发明基于聚焦径向偏振光与硅中空纳米碟的相互作用，通过调节纳米碟的内、外环半径、高度这三个结构参数以及纳米碟在焦平面上的横向位移量，使得总电偶极矩的轴向分量和磁偶极矩的横向分量满足同位相和振幅相等的Kerker条件，实现宽带横向单向散射。本发明提出的横向单向散射方法具有：1)宽带响应特性；2)主动调控优势。

技术领域

本发明涉及纳米光学技术领域，尤其是针对能实现宽带横向单向散射的纳米光学方法。

背景技术

纳米结构通过物质的尺寸限制引发光与物质在纳米尺度上的相互作用，能实现纳米量级范围内的光场局域和光操控，从而呈现出诸多奇异的光电特性，有助于设计出传统原理和技术所无法实现和媲美的新型光子学器件。随着纳米光学技术的不断发展和成熟，纳米结构在很多领域已得到广泛的应用，如生物传感，粒子捕获以及荧光标记等。与等离子体金属纳米结构相比，高折射率介电纳米结构在可见光和近红外光波段具有非常低的损失，克服了金属材料的损耗问题，因此，对于要求满足低能量损耗的光子学器件有着重要的研究意义和应用价值[1]。

高折射率介电纳米结构可以同时支持光学波段的电场和磁场响应，使其呈现出各向异性散射特性，能够使得电磁波辐射沿某一特定或指定方向传播[2]。其中，纳米结构垂直于光场传播方向的定向散射，即横向单向散射在纳米集成光学、传感、光学成像、量子调控等领域具有非常重要的应用价值，可以提高集成光学中波导的定向耦合效率，实现精度高达亚量级的高分辨率横向位移测量，还可以被设计成纳米级光开关等器件。为此，研究人员提出了多种能实现高折射率介电纳米结构横向散射的技术和方法。例如，在平面光场入射下，利用高折射率介电纳米结构的电偶极与电四极之间的相互作用[3]，或者基于纳米结构的非对称结构特性产生轴向电偶极分量[4]，从而产生横向散射。还可以利用聚焦光场的聚焦特性，在纳米球[5]、核壳纳米结构[6]、二聚体[7]、纳米线[8]等结构中，激发出轴向的电偶极或磁偶极分量，与横向偶极分量、四极矩等相互作用，在满足横向Kerker条件的情况下产生横向散射。不过，目前已有的技术和方法通常只能在几个特定波长下实现横向单向散射，而很多实际应用迫切需要能工作在宽带条件下的横向单向散射。

高折射率介电纳米球是常见的实现横向单向散射的纳米结构，不过，纳米球只有半径这样一个可调结构参数，一般表现为窄带响应特性。中空纳米碟有内、外环半径以及高度这样三个可调结构参数，更多的调控自由度使其具有宽带响应特性。硅是较为常见的高折射率介电材料，价格经济，并且有成熟的半导体加工工艺作为技术支撑。径向偏振光是一种非均匀偏振光，其电矢量方向，即偏振方向始终沿着径向，并在光束横截面上表现为轴对称分布。在利用显微物镜进行紧聚焦后，径向偏振光将产生很强的轴向电场分量，与物质相互作用后，可以为光场调控提供更多的自由度。目前，已先后提出很多产生径向偏振光的方法和技术，其中一部分已有相应的商业化产品。为此，本发明提出利用聚焦径向偏振光与硅中空纳米碟的相互作用，在宽带的条件下实现横向单向散射的方法。

参考文献：

[1]Yang Z J，Jiang R，Zhuo X，et al.Dielectric nanoresonators for lightmanipulation[J].Physics Reports，2017，701：1-50.

[2]Fu Y H，Kuznetsov A I，Miroshnichenko A E，et al.Directional visiblelight scattering by silicon nanoparticles[J].Nature Communications，2013，4：1527.