本發(fā)明涉及微納單分子精度傳感、微納單光子源（single-photonsource）和高分辨率成像等相關(guān)領(lǐng)域，具體是指調(diào)控多個(gè)隨機(jī)不相干單光子發(fā)射器輻射強(qiáng)度和方向性的蘑菇狀納米天線。

背景技術(shù)：

對(duì)單分子或原子尺度的物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，不僅是近代科學(xué)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是未來(lái)高精度傳感，高分辨率成像等領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于單個(gè)分子和原子的尺寸通常只有幾個(gè)納米甚至更小，傳統(tǒng)手段很難直接探測(cè)。單光子發(fā)射器（single-photonemitter）是一種在受外界能量激發(fā)后，能夠產(chǎn)生單頻率或單色光的光子源。單光子發(fā)射器自身的尺寸與分子、原子相近，能夠與該尺度的物質(zhì)有效作用，是對(duì)單個(gè)分子、原子進(jìn)行追蹤和探測(cè)最可靠的手段之一。同時(shí)，一些單光子發(fā)射器（尤其是有機(jī)熒光分子和量子點(diǎn)）的表面化學(xué)性質(zhì)可以進(jìn)行特定的處理，能夠針對(duì)目標(biāo)分子、原子進(jìn)行有選擇性的標(biāo)記（selective-labeling），具有良好的穩(wěn)定性和可調(diào)控性。然而在實(shí)際應(yīng)用中，單光子發(fā)射器自身的輻射強(qiáng)度很微弱，同時(shí)其極性排列不受控制，輻射一般不具有方向性?，F(xiàn)有很多技術(shù)方案是采用的改變納米天線的材料，或者改變單光子源器件結(jié)構(gòu)以研究并應(yīng)用于該領(lǐng)域，但是針對(duì)上述問(wèn)題，目前的技術(shù)方案很難克服。

納米天線是利用亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的諧振效應(yīng)調(diào)控光的傳播強(qiáng)度和方向性的技術(shù)。一方面，納米天線能夠利用表面等離激元和高折射率電介質(zhì)等材料在單光子發(fā)射器的激發(fā)頻段產(chǎn)生諧振，提供超強(qiáng)的光學(xué)近場(chǎng)以增強(qiáng)其激發(fā)強(qiáng)度；另一方面，納米天線能夠與單光子發(fā)射器的發(fā)射頻段耦合，改變其輻射的方向性和角度擴(kuò)散，提高光的收集利用率。通過(guò)以上兩方面的增益，納米天線可以使單光子發(fā)射器即使在皮摩爾甚至飛摩爾濃度下也能夠被光電探測(cè)器探測(cè)，真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)分子、原子的探測(cè)。然而目前已知的納米天線通常只對(duì)單光子發(fā)射器的某一特定極化排列有增強(qiáng)作用，無(wú)法對(duì)實(shí)際情況中多個(gè)隨機(jī)排列的不相干單光子發(fā)射器進(jìn)行有效調(diào)控。因此有部分研究人員對(duì)納米天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)，例如，北京郵電大學(xué)的丁天于2014年1月7日發(fā)表的《基于光學(xué)天線的單光子源性能研究》文獻(xiàn)中首先公開(kāi)了對(duì)單光子源和光學(xué)天線進(jìn)行了理論研究，然后設(shè)計(jì)了一種新穎的扇桿光學(xué)天線,并采用使用時(shí)域有限差分法對(duì)扇桿天線進(jìn)行模擬仿真，討論了扇桿天線的普塞爾效應(yīng)。最后對(duì)一種金屬-介質(zhì)八木納米天線進(jìn)行了模擬仿真,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了很高的輻射衰減率增強(qiáng)和方向性。但是同時(shí)，單光子發(fā)射器的激發(fā)頻段和發(fā)射頻段之間常常存在著幾十至幾百納米的斯托克位移（stoke-shift），簡(jiǎn)單的納米天線設(shè)計(jì)很難同時(shí)增強(qiáng)其激發(fā)強(qiáng)度和發(fā)射強(qiáng)度，而復(fù)雜的納米天結(jié)構(gòu)對(duì)外延設(shè)備要求高、制備難度大。該文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)以平鋪方式在基底之上，扇桿天線由兩個(gè)完全相同的扇桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并且要控制兩個(gè)桿部之間的間距才能工作，主要是利用桿部位置的關(guān)聯(lián)（控制兩個(gè)桿部之間的間距）產(chǎn)生局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)。該天線結(jié)構(gòu)主要側(cè)重于光強(qiáng)與激發(fā)強(qiáng)度的增強(qiáng)，而對(duì)stoke-shift、輻射方向性等沒(méi)有任何明顯作用。因此，可見(jiàn)該文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)也不能很好地實(shí)現(xiàn)和克服上述技術(shù)問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)一種制備簡(jiǎn)單且能滿足單光子發(fā)射器斯托克位移的納米天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)隨機(jī)不相干單光子發(fā)射器的輻射強(qiáng)度和方向性的調(diào)控，具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能調(diào)控多個(gè)隨機(jī)不相干單光子發(fā)射器輻射強(qiáng)度和方向性的蘑菇狀納米天線，該天線結(jié)構(gòu)能夠滿足不同單光子發(fā)射器的斯托克位移（stoke-shift），且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制備；該結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于微納單分子精度傳感，微納單光子源和高分辨率成像等相關(guān)領(lǐng)域。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下：

調(diào)控多個(gè)隨機(jī)不相干單光子發(fā)射器輻射的蘑菇納米天線，其特征在于：包括襯底和若干個(gè)設(shè)置于襯底上的蘑菇狀納米天線，所述蘑菇狀納米天線包括天線菌柄和天線菌蓋，天線菌柄固定于襯底上，天線菌蓋呈傘狀固定于天線菌柄的頂部；所述天線菌柄的側(cè)面依附有若干個(gè)單光子發(fā)射器。

所述蘑菇狀納米天線的材質(zhì)可以采用表面等離激元金屬，或者高折率電介質(zhì)材料，或者兩種材質(zhì)混合，但也不限于這兩種材質(zhì)。其中，表面等離激元金屬可以采用au，或ag，或cu，或al等）；高折率電介質(zhì)材料可以采用si，或gaas，或gap，或ge，或tio2等。所述天線菌蓋、天線菌柄可以使用相同材質(zhì)或不同材質(zhì)的組合，天線菌蓋的諧振頻段和天線菌柄的諧振頻段均可以分開(kāi)靈活設(shè)計(jì)和調(diào)控，能夠滿足不同單光子發(fā)射器的斯托克位移（stoke-shift）；當(dāng)天線菌蓋與天線菌柄的材質(zhì)均采用在單光子發(fā)射器的發(fā)射頻段無(wú)損耗的材質(zhì)時(shí)，可以有效提高單光子發(fā)射器的量子效率。

所述蘑菇狀納米天線不依賴于單光子發(fā)射器的極化排列。所述若干個(gè)單光子發(fā)射器總體的輻射能量偏向于高折率的天線菌蓋方向。

所述天線菌蓋的諧振頻段與單光子發(fā)射器的發(fā)射頻段耦合，利用purcell效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)單光子發(fā)射器的發(fā)射強(qiáng)度，同時(shí)導(dǎo)引輻射方向偏向于高折射率的天線菌蓋方向，提高光收集利用效率。

所述天線菌柄的諧振頻段與單光子發(fā)射器的激發(fā)頻段耦合，在天線菌柄表面附近產(chǎn)生電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)以增強(qiáng)依附在天線菌柄的單光子發(fā)射器的激發(fā)強(qiáng)度。

所述單光子發(fā)射器可是有機(jī)發(fā)光分子，或原子，或量子點(diǎn)等，但不限于這幾種。

所述單光子發(fā)射器依附于天線菌柄側(cè)面的方式可以是配體連接，也可以是光學(xué)力依附，或者是化學(xué)依附等，但是限于這幾種依附方式。

所述蘑菇納米天線安放于環(huán)境基質(zhì)中，所述環(huán)境基質(zhì)為折射率比蘑菇狀納米天線折射率低2-4的材質(zhì)，可以是空氣、或者水、或者pmma有機(jī)溶液等。這里，一般環(huán)境基質(zhì)的折射率為1~1.4，而納米天線的折射率可能會(huì)在4~5之間，所以環(huán)境基質(zhì)為折射率一般遠(yuǎn)低于蘑菇狀納米天線折射率。

所述襯底采用材質(zhì)的折射率與環(huán)境基質(zhì)的折射率相差±0.5以內(nèi)，同時(shí)與納米天線的折射率相差±3~4，以減小襯底本身對(duì)單光子發(fā)射器輻射的影響。所述襯底材質(zhì)采用包括但不限于sio2，或si，或有機(jī)樹(shù)脂等。

本發(fā)明提出蘑菇狀納米天線結(jié)構(gòu)通過(guò)分別設(shè)計(jì)菌蓋和菌柄的尺寸并選取合適的材質(zhì)，能夠同時(shí)耦合單光子發(fā)射器的激發(fā)頻段和發(fā)射頻段，極大的增強(qiáng)單光子發(fā)射器的輻射強(qiáng)度。同時(shí)利用菌蓋與環(huán)境介質(zhì)之間的折射率差異導(dǎo)引輻射方向偏向于菌蓋方向，提高光收集利用效率。該結(jié)構(gòu)不依賴于單光子發(fā)射器的極化排列，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)隨機(jī)不相干單光子發(fā)射器的輻射強(qiáng)度和方向性的調(diào)控。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、通過(guò)分別設(shè)計(jì)菌蓋和菌柄的尺寸并選取合適的材質(zhì)，能夠同時(shí)耦合單光子發(fā)射器的激發(fā)頻段和發(fā)射頻段，滿足不同單光子發(fā)射器的斯托克位移（stoke-shift）；

2、利用天線菌柄的諧振效應(yīng)與單光子發(fā)射器的激發(fā)頻段耦合，在菌柄表面附近產(chǎn)生電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)，以增強(qiáng)依附在菌柄的單光子發(fā)射器的激發(fā)強(qiáng)度；

3、利用天線菌蓋的諧振效應(yīng)與單光子發(fā)射器的發(fā)射頻段耦合，利用purcell效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)單光子發(fā)射器的發(fā)射強(qiáng)度，同時(shí)導(dǎo)引輻射方向偏向于高折射率的菌蓋方向，提高光收集利用效率。

4、不依賴于單光子發(fā)射器的極化排列，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)隨機(jī)不相干單光子發(fā)射器的輻射強(qiáng)度和方向性的調(diào)控。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的蘑菇狀納米天線的消光譜截面大?。╡xtinctioncross-section）的示意圖。

圖3為本發(fā)明用于實(shí)施例1中得到的依附在菌柄表面10nm距離的所有不相干量子點(diǎn)的總體輻射方向圖和相對(duì)于無(wú)納米天線情況下的輻射增強(qiáng)因子（emitterenhancement）的示意圖。

其中，附圖標(biāo)記為：1為環(huán)境基質(zhì)；2為襯底；3為蘑菇狀納米天線；4為天線菌蓋；5為天線菌柄；6為依附于菌柄的單光子發(fā)射器。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例中的特征可以互相任意組合。

實(shí)施例1

基于高折射率電介質(zhì)si和表面等離激元金屬au的雜化蘑菇狀納米天線結(jié)構(gòu)。如圖1所示，其中：1為空氣基質(zhì)；2為sio2襯底；3為雜化蘑菇狀納米天線；4為si材質(zhì)菌蓋；5為au材質(zhì)菌柄；6為固有量子效率為1的inp量子點(diǎn)。多個(gè)隨機(jī)排布不相干的inp量子點(diǎn)依附于au菌柄表面10nm處。

如圖2所示，這種雜化蘑菇狀納米天線和空氣基質(zhì)有很大的折射率差異，可以產(chǎn)生多個(gè)強(qiáng)烈的諧振模，能夠用于與inp量子點(diǎn)的激發(fā)波段和發(fā)射波段耦合，增強(qiáng)其輻射強(qiáng)度。在此實(shí)施例中，針對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)為540nm，發(fā)射波長(zhǎng)600nm的inp量子點(diǎn)設(shè)計(jì)雜化蘑菇狀納米天線。此雜化蘑菇狀納米天線在540nm激發(fā)波長(zhǎng)下能夠在au菌柄表面產(chǎn)生電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)以增強(qiáng)inp量子點(diǎn)的激發(fā)強(qiáng)度，其增強(qiáng)因子超過(guò)8倍。

圖3是計(jì)算得到的依附在au菌柄表面10nm距離的所有不相干量子點(diǎn)的總體輻射方向圖和相對(duì)于無(wú)納米天線情況下的輻射增強(qiáng)因子（emissionenhancement）。可以看出，雜化蘑菇狀納米天線有效的導(dǎo)引多個(gè)不相干inp量子點(diǎn)的大部分輻射延高折射率的si菌蓋方向傳播，大大改善了光子收集效率，其方向性輻射增強(qiáng)因子接近25倍。在空氣基質(zhì)中，朝菌蓋方向傳播的光全部可以被數(shù)值孔徑na（numericalaperture）>1的電荷耦合器件相機(jī)（charge-coupleddevicecamera）收集到。

以上實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選案例，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍不局限于這些實(shí)施例，任何不脫離本發(fā)明的精神和范圍的修改、變形都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。