專利名稱：微介質(zhì)錐和納金屬光柵復(fù)合的光學(xué)探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)和光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及微納米光學(xué)器件、表面等離子體激發(fā)和納米聚焦，特別是一種高空間分辨率和高靈敏度的光學(xué)探針。
背景技術(shù)：
如何將光能高效地聚集、傳輸并限制在納米區(qū)域，是近年來光子學(xué)、等離激元學(xué)和納米光學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)問題，對于提高納米光刻、納米傳感和納米成像的分辨率和靈敏度至關(guān)重要。利用納米金屬結(jié)構(gòu)將入射光轉(zhuǎn)化為表面等離激元，然后導(dǎo)引到高度受限的納米區(qū)域，形成局域化的電磁場，是突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限實現(xiàn)超聚焦的最有效可行方法。國內(nèi)外已經(jīng)提出了各種納米金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)引表面等離子體模，主要包括納米金屬顆粒鏈、柱狀納米金屬棒、納米金屬間隙、納米金屬楔、納米金屬金字塔、納米金屬槽和納金屬錐。與球形、方形、柱狀以及金字塔等納米金屬結(jié)構(gòu)相比，納金屬錐結(jié)構(gòu)首先將入射光能量轉(zhuǎn)化為表面的離子體波，然后順著錐形結(jié)構(gòu)逐漸壓縮，同時表面等離子體波的相速度和群速度不斷減小，在錐形的尖端轉(zhuǎn)化成高度受限的等離子體模，形成高度局域化的電磁場分布，從而得到納米聚焦。但是由于納金屬錐的入口尺寸非常有限，因此納金屬錐僅能收集很少部分的入射光能，從而制約了其頂端聚焦能量的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決納金屬錐入口小、收集光能量少的問題，提供一種由微介質(zhì)錐和納金屬光柵構(gòu)成的高空間分辨率和高靈敏度的光學(xué)探針。本發(fā)明提供的高空間分辨率和高靈敏度的微介質(zhì)錐和納金屬光柵復(fù)合的光學(xué)探針，由微介質(zhì)錐和納金屬光柵構(gòu)成，微介質(zhì)錐的折射率為nd，介電常數(shù)為e d，微介質(zhì)錐的大底面是光能的入口端，直徑為din。，微介質(zhì)錐的小底面是光能的出口端，直徑為cLt，din。在微米量級，dout在納米量級，微介質(zhì)錐的錐角為2 0。納金屬光柵沿微介質(zhì)錐的外表面分布，將微介質(zhì)錐收集和匯聚的光能高效地耦合轉(zhuǎn)化為表面等離激元，使其沿錐面不斷壓縮和聚焦，在錐的尖端形成納米聚焦的高局域強(qiáng)場；納金屬光柵的介電常數(shù)為％，周期為Ag，在光能的出口端，納金屬光柵的形狀為錐形，厚度從t線性變化為0，其他部分的厚度均為t，在一個周期內(nèi)，金屬所占的長度為a，空氣所占的長度為b，a+b= Ag, Ag在微納米量級，t在納米量級。所述的微介質(zhì)錐，以較大的口徑盡可能地收集入射光能，使其向錐頂端匯聚，光能量從其較大的底面入射，從較小的底面(尖端)出射。微介質(zhì)錐的折射率和錐角的大小決定
了正入射的光是否在其內(nèi)部發(fā)生全反射，當(dāng)-SiiT1(I)時，光在錐面發(fā)生全發(fā)射，經(jīng)多
次反射后，大部分光能量被聚集到介質(zhì)錐的頂端。當(dāng)'_+_)時，光在錐面發(fā)生反射
和折射，經(jīng)多次反射后，一部分光能量被聚集到介質(zhì)錐的頂端，一部分光能量折射出微介質(zhì)錐。所述的納金屬光柵的周期Ag由下式確定:
權(quán)利要求
1.一種高空間分辨率和高靈敏度的微介質(zhì)錐和納金屬光柵復(fù)合的光學(xué)探針，其特征在于該光學(xué)探針由微介質(zhì)錐和納金屬光柵構(gòu)成，微介質(zhì)錐以較大的口徑收集入射光能，并向錐尖端匯聚；微介質(zhì)錐的折射率為nd，介電常數(shù)為e d，微介質(zhì)錐的大底面是光能的入口端，直徑為din。，微介質(zhì)錐的小底面是光能的出口端，直徑為dout，dinc在微米量級，dout在納米量級，微介質(zhì)錐的錐角為2 0 ;納金屬光柵沿微介質(zhì)錐的外表面分布，將微介質(zhì)錐收集和匯聚的光能高效地耦合轉(zhuǎn)化為表面等離激元，使入射光沿錐面不斷壓縮和聚焦，在錐的尖端形成納米聚焦的高局域強(qiáng)場，納金屬光柵的介電常數(shù)為％，周期為Ag，在光能的出口端，納金屬光柵的形狀為錐形，厚度從t線性變化為O，其他部分的厚度均為t，在一個周期內(nèi)，金屬所占的長度為a，空氣所占的長度為b，a+b=Ag, A8在微納米量級，t在納米量級。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)探針，其特征在于所述的微介質(zhì)錐的折射率和錐角的大小決定了正入射的光是否在其內(nèi)部發(fā)生全反射，當(dāng)
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)探針，其特征在于所述的納金屬光柵的周期Ag由下式確定:
全文摘要
一種高空間分辨率和高靈敏度的微介質(zhì)錐和納金屬光柵復(fù)合的光學(xué)探針。該光學(xué)探針由微介質(zhì)錐和納金屬光柵構(gòu)成，納金屬光柵沿微介質(zhì)錐的外表面分布，微介質(zhì)錐以較大的口徑盡可能地收集入射光能并向錐頂端匯聚，納金屬光柵將匯聚的光能高效地耦合轉(zhuǎn)化為表面等離激元，使其沿錐面不斷壓縮和聚焦，在錐的尖端形成納米聚焦的高局域強(qiáng)場。同時通過改變和優(yōu)化微介質(zhì)錐頂角、光柵結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及出口尺寸大小可以實現(xiàn)納米聚焦的調(diào)控和優(yōu)化。本發(fā)明可用作掃描近場顯微鏡、原子力顯微鏡和針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的探針，光學(xué)探針形成的強(qiáng)納米聚焦可作為納米光刻和亞波長光通訊的光源，在納米傳感、納米成像、納米光刻和亞波長光通信等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值。
文檔編號G02B27/58GK103176283SQ201310107939
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者匡登峰, 歐陽升 申請人:南開大學(xué)