一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件制造技术

本发明专利技术揭示了一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，三层结构分别为高折射率介质、低折射率介质和贵金属，当径向偏振光从圆锥底端垂直进入结构时，该结构能够有效地降低损耗，使得更多的光能向顶端传播，在顶端汇集并且在圆锥顶点有很强的电场增强效应，实现了更强的聚焦性能。此结构可应用于超高密度集成光路，对实现纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等领域具有十分重要的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件
本专利技术涉及一种基于混合等离波元波导的场局域增强器件，可用于纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等

技术介绍
现代信息技术对于器件微型化和高度集成化的要求，要求单元器件的尺寸越来越小，器件的空间距离也越来越小，均要突破光学衍射极限，基于传统光学的基本原理和技术因受衍射极限的限制，在纳米尺度层面和结构上就难以实现与此相关的信息的传输、处理和相关技术应用等，不能满足科学技术发展的需要，因此迫切需要实现突破衍射极限的新机理和新技术。表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons)是指金属表面上的自由振荡电子与光子相互作用产生沿着金属-介质表面传播的横磁偏振态的衰逝场。利用表面等离激元(SPP)可得到在纳米尺度上电磁能量局域汇聚放大，其有限的空间尺度、场空间局域增强的特点，对在纳米光子器件设计及其集成、制作微纳尺度量级的光子器件有显著的应用。径向偏振光的轴对称分布特点，使得它具有许多线偏振光和圆偏振光不具备的特性。例如径向偏振光具有沿轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构；径向偏振光在高数值孔径透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点更小且焦点区域的纵向电场变得非常强。径向偏振光的这些特性得到了很多新的应用，例如在引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割以及提高存储密度等方面，随着人们对径向偏振光的不断认识，它将在越来越多的方面得到应用。亚波长金属微纳结构是激发和控制SPP的主要结构，当所使用的亚波长金属微纳米结构具有轴对称性质时，用径向偏振光源照明激发SPP时能量利用率更高、聚焦点更小并且可以自动满足SPP激发所需的横磁偏振条件。2007年，WeibinChen等人提出了一种介质-金属双层圆锥结构，一柱矢量光束从该结构底端入射，在结构尖端实现很好的场聚焦效果。随后研究了该结构顶端电场增强与其圆锥半锥角和介质折射率之间的关系，发现圆锥半锥角和介质折射率对顶端电场的影响十分敏感且呈震荡关系。针对介质-金属双层圆锥形结构的波导在径向偏振光源照明条件下SPP的激发情况不理想的效果，由于介质-金属等离激元波导本身的高损耗特性，导致上述双层结构的尖端场局域增强效应受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件。本专利技术的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构。优选地，所述第一层结构为高折射率介质。优选地，所述高折射率介质为Si或GaN，其中Si的折射率为3.455。优选地，所述第二层结构为低折射率介质。优选地，所述低折射率介质为SiO2或MgF2，其中SiO2的折射率为1.445。优选地，所述第三层结构为贵金属。优选地，所述贵金属为金或银。优选地，所述高折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质薄膜，所述低折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的贵金属薄膜，整个介质圆锥底面半径为R1，所述圆锥底面半径R1为1000nm，圆锥半锥角为θ，所述圆锥半锥角θ为15°。优选地，所述场局域增强器件内层高折射率介质圆锥顶部曲率半径为R2，所述R2为20nm，覆盖其上的低折射率介质薄膜圆锥顶部曲率半径为R3，所述R2为20nm，涂覆在最外层银薄膜的顶点处曲率半径为R4，所述R4为5nm。优选地，在可见光至近红外波段，该场局域增强器件在径向偏振光或线偏振光的偏振模式下光从锥底垂直入射进入，在尖端区域产生很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点处电场局域增强倍数达到最大，所述电场最大值为554倍。本专利技术技术方案的优点主要体现在：本专利技术结构简单易设计，材料获取容易，制备易实现；该结构具备同时对线偏振光和径向偏振光实现局域场增强功能，突破了现有技术的偏振态局限性。当光从圆锥底端垂直进入结构时，该结构能够有效地降低损耗，使得更多的光能向顶端传播，并在尖端汇集，实现了更强的聚焦性能。本专利技术结构紧凑，便于光子集成，可应用于超高密度集成光路，对实现纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等领域具有十分重要的应用。附图说明图1为本专利技术的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件结构的剖面示意图。图2为本专利技术的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件结构的部分放大示意图。图3为本专利技术的实施例波长为λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的场局域增强器件尖端电场模|E|分布图，入射电场振幅大小为1V/m。图4为本专利技术的实施例λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的场局域增强器件顶点处的电场模|E|的分布放大图。图5为本专利技术的实施例三层圆锥形场局域增强器件距离锥顶不同距离处的电场模|E|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶距离为0nm，以及距离为5nm和10nm。图6为用于对比的现有技术的高折射率介质-金属双层圆锥形聚焦器件距离锥顶不同距离处的电场模|E|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶距离为0nm，以及距离为5nm和10nm。具体实施方式本专利技术的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本专利技术技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本专利技术要求保护的范围之内。本专利技术揭示了一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，该场局域增强器件可在纳米尺度上电磁能量局域汇聚放大，在有限的空间尺度场局域增强，具体可用于在纳米光子器件设计及其集成、新型光源、通信光纤的加工、微纳传感探测等领域。如图1所示，该基于混合等离激元波导的场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构1、第二层结构2和第三层结构3，所述第一层结构1、第二层结构2和第三层结构3由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，图1中的A部分为高折射率介质圆锥锥面与低折射率介质圆锥锥面的部分放大图。具体地，所述第一层结构为高折射率介质，所述高折射率介质为Si或GaN，其中Si的折射率为3.455。所述第二层结构为低折射率介质，所述低折射率介质为SiO2或MgF2，其中SiO2的折射率为1.445。所述第三层结构为贵金属，所述贵金属为金或银，在本技术方案中，所述贵金属优选为银。所述局域增强器件为柱对称锥形结构，如图2所示，所述高折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质薄膜，所述低折射率介质圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的贵金属薄膜，h1的厚度范围区间为50～100nm，h2的厚度范围区间为50～100nm，在本技术方案中，h1的厚度范围优选为50nm，h2的厚度范围优选为50nm。整个介质圆锥底面半径为R1，所述圆锥底面半径R1为1000nm，圆锥半锥角为θ，所述圆锥半锥角θ为15°。由于柱对称的结构，支持的偏振模式更多，无论是线偏振光还是径向偏振光都支持，在本技术方案中，优选为径向偏振光。在可见光至近红外波段，所述可见光的波长范围为380～780nm，所述近红外的波长范围为780～3000nm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：该场局域增强器件包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构、第二层结构和第三层结构由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构。2.根据权利要求1所述的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：所述第一层结构为高折射率介质。3.根据权利要求2所述的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：所述高折射率介质为Si或GaN，其中Si的折射率为3.455。4.根据权利要求1所述的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：所述第二层结构为低折射率介质。5.根据权利要求4所述的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：所述低折射率介质为SiO2或MgF2，其中SiO2的折射率为1.445。6.根据权利要求1所述的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：所述第三层结构为贵金属。7.根据权利要求6所述的一种基于混合等离激元波导的场局域增强器件，其特征在于：所述贵金属为金或...

【专利技术属性】
技术研发人员：许吉，时楠楠，谭朝幻，陆昕怡，陆云清，谌静，刘宁，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32