[发明专利]基于表面等离激元实现原子囚禁的结构

说明书

本发明提供了一种基于表面等离激元实现原子囚禁的结构，该结构为周期性结构，包括多个单元胞，其中，每个单元胞包括金属层、圆环腔和二氧化硅衬底，所述金属层中有金属纳米孔，所述圆环腔置于所述金属纳米孔中，所述金属纳米孔与所述圆环腔的中心重合，囚禁中心位于所述金属纳米孔和圆环腔中心正上方位置。该结构简单易于加工；极大的降低了输入光功率；增加了囚禁系统的稳定性；大大降低了检测误差；该结构体系对于跃迁波长均小于囚禁波长的原子都具有稳定的囚禁效果；进一步拓展了周期性表面等离激元的应用。

技术领域

本发明涉及微纳光子技术和原子分子物理领域，具体涉及一种基于表面等离激元实现原子囚禁的结构。

背景技术

对中性原子的操控、导引意义重大。它可以用来检验基本物理规律，研究处于极端条件下的新物态，更加精确的测定基本物理常数等。一般而言，囚禁中性原子有三种常见的方式：辐射压囚禁、磁光阱囚禁和光偶极势能囚禁。其中，光偶极势能囚禁不依赖于原子所在能级，由入射光场产生的势阱将原子拉/推到势能最低位置处。光偶极势能囚禁分为红失谐(囚禁波长大于所有的原子跃迁波长)囚禁和蓝失谐(囚禁波长小于所有的原子跃迁波长)囚禁以及红蓝失谐相互作用下的囚禁。红失谐囚禁方案一般利用光纤聚焦的方式，将原子吸引到势能最大值处，这样的方式最大的缺点就是原子处在光场强度最大值处，很容易受热而不稳定。蓝失谐囚禁一般而言，实验装置特别复杂，因为单一光场很难形成稳定的囚禁区域。红蓝失谐光相互作用是目前应用比较多的一种方式，一般基于介质光纤材料。但基于介质光纤的红蓝失谐光囚禁体系需要红蓝失谐光功率特殊的比例来克服表面势能，有时候需要好几束激光场，增加了实验的难度，且介质光纤无法增加光场，这就需要大的输入光功率。因此，需要寻求一种结构简单的单个蓝失谐囚禁方案。

表面等离激元超材料结构体系以其独特的光学特性受到广大研究人员的青睐。超材料体系也在传感、光开关、光探测等方面有着非常广泛的应用。然而，通过对这些基于表面等离激元的超材料结构系统进行分析发现，之前的报道往往都是基于超材料结构表面的场分布来实现各种各样的器件功能，而忽略了对超材料结构体系在空间产生的光场分布的研究。表面等离激元共振系统具有巨大的场增强效应，这将会有效的降低输入光功率，这些正是介质光纤所不具有的特性。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于表面等离激元实现原子囚禁的结构，用于将表面等离激元结构体系和原子囚禁结合起来，实现基于表面等离激元结构体系的稳定原子囚禁。

本发明提供了一种基于表面等离激元实现原子囚禁的结构，该结构为周期性结构，包括多个单元胞，其中，每个单元胞包括金属层、圆环腔和二氧化硅衬底，所述金属层中有金属纳米孔，所述圆环腔置于所述金属纳米孔中，所述金属纳米孔与所述圆环腔的中心重合，囚禁中心位于所述金属纳米孔和圆环腔中心正上方位置。

优选的，所述结构的周期P为700nm，所述金属纳米孔的半径r3为300nm，所述圆环腔的内径r1为150nm，所述圆环腔的外径r2为200nm，所述金属纳米孔和圆环腔的高度h1为400nm，所述二氧化硅衬底的厚度h2为400nm。

优选的，以金属纳米孔的上表面正中心为坐标原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，以xy右手螺旋方向为z轴，入射光从-z方向入射经过二氧化硅衬底然后激发金属纳米孔和圆环腔的表面等离激元，从而在该结构的上方空间产生局域电场最小值的位置处形成囚禁中心。

优选的，所述入射光为圆偏光。

优选的，所述圆偏光为左旋光或右旋光，圆偏光的囚禁波长λ＝760nm。

优选的，所述金属层为银质金属层。

优选的，所述二氧化硅衬底材料折射率n＝1.45。

优选的，所述金属纳米孔与圆环腔内填充为空气。