[發(fā)明專利]一種波導(dǎo)共振耦合表面等離子體光場的激發(fā)和調(diào)控方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410165583.3
• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN103926707A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅先剛;王長濤;趙澤宇;王彥欽;姚納;胡承剛;蒲明薄;王炯;劉利芹;楊磊磊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G02B27/58
• 分類號: G02B27/58;G03F7/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于顯微成像領(lǐng)域，涉及一種波導(dǎo)共振耦合表面等離子體光場的激發(fā)和調(diào)控方法，特別適用于超分辨成像和表面等離子體干涉光刻中的結(jié)構(gòu)照明。

背景技術(shù)

光學(xué)顯微成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、細胞學(xué)、材料學(xué)等研究領(lǐng)域。對于樣品表層形貌的顯微成像，通常采用棱鏡全內(nèi)反射所產(chǎn)生的倏逝光場照明樣品表層，避免樣品內(nèi)部散射光干擾成像效果。全內(nèi)反射顯微成像技術(shù)的縱向分辨力通常由倏逝波的趨膚深度決定，即倏逝光場的縱向衰減越快，縱向分辨力越高。然而，棱鏡激發(fā)所產(chǎn)生倏逝光場的局域特性有限，全內(nèi)反射顯微成像技術(shù)的縱向分辨力為100nm～200nm。對于能夠清晰地觀測到縱向50nm、甚至更薄樣品的表層信息，則需要激發(fā)趨膚深度更小的倏逝光場作為照明光源。

近年來，表面等離子體(Surface?Plasmons,SP)作為電磁波耦合自由電子激發(fā)產(chǎn)生的表面電磁模式，激發(fā)產(chǎn)生的SP波橫向波矢遠大于照明光波矢；這意味著SP波的縱向局域能力比棱鏡全內(nèi)反射產(chǎn)生的倏逝光場更強。然而，對于金屬/介質(zhì)多層膜對空間頻譜操控，膜層材料的虛部吸收對空間頻譜范圍和透射振幅影響很大。通常金屬/介質(zhì)多層膜頻譜濾波激發(fā)產(chǎn)生的表面等離子體光場激發(fā)強度很低，極大地降低了照明光的能量利用率；同時也限制了表面等離子體光場實際應(yīng)用時探測器最小探測強度的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對金屬/介質(zhì)多層模激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體光場強度低的問題，提出一種波導(dǎo)共振耦合表面等離子體光場的激發(fā)和調(diào)控方法。該設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)特定單一倏逝頻譜的表面等離子體光場激發(fā)，設(shè)計膜層厚度易于控制，膜層誤差和粗糙度要求小。該設(shè)計方法可用于超分辨成像和表面等離子體干涉光刻等方面的結(jié)構(gòu)照明。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種波導(dǎo)共振耦合表面等離子體光場的激發(fā)和調(diào)控方法，該方法采用器件主要由透明基底、納米結(jié)構(gòu)層和波導(dǎo)共振多層膜構(gòu)成；其中納米結(jié)構(gòu)層用于對照明光衍射出各級次平面波；波導(dǎo)共振多層膜用于對照明光衍射出各級次平面波進行空間頻譜范圍和透射振幅調(diào)制；其步驟如下：

步驟(1)、選擇照明光的工作波長λ，根據(jù)其波長選擇透明基底，照明光的入射角度可以為任意角度；

步驟(2)、納米結(jié)構(gòu)層由衍射結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)平坦層構(gòu)成，衍射結(jié)構(gòu)首先將照明光衍射為各級次平面波；結(jié)構(gòu)平坦層對衍射結(jié)構(gòu)進行平坦化，易于波導(dǎo)共振多層膜的平面化制備；

步驟(3)、透明基底上制備厚度為d₁的薄膜作為衍射結(jié)構(gòu)，衍射結(jié)構(gòu)可以為不透光的金屬納米結(jié)構(gòu)，也可以為透光的介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，衍射結(jié)構(gòu)的形狀可以為規(guī)則的幾何體、或不規(guī)則的任意面型，衍射結(jié)構(gòu)的分布可以是均勻的、或非均勻的，分布方式可以是一維、或二維；

步驟(4)、結(jié)構(gòu)平坦層用作衍射結(jié)構(gòu)的平坦，結(jié)構(gòu)平坦層選擇透光的PMMA材料；

步驟(5)、波導(dǎo)共振多層膜的單元結(jié)構(gòu)為金屬層/介質(zhì)層/共振層/介質(zhì)層，波導(dǎo)共振多層膜的單元數(shù)為2～15；金屬層/介質(zhì)層/共振層/介質(zhì)層中的金屬膜層材料可以選擇金、銀、鋁等貴金屬、或摻雜金屬，金屬膜層的厚度范圍為10nm～60nm，制備的各金屬膜層厚度可以相等，也可以厚度漸變；介質(zhì)膜層材料可以選擇二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈦等，介質(zhì)膜層的厚度范圍為10nm～60nm，制備的各介質(zhì)膜層厚度可以相等，也可以厚度漸變，包裹共振層的介質(zhì)膜層材料可以相同也可以不同；共振層材料可以選擇氧化鈦、碳化硅等高折射率介質(zhì)材料，共振層的厚度范圍為10nm～200nm，制備的各共振層厚度可以相等，也可以厚度漸變。

其中，所述步驟(1)中透明基底可以選擇融石英、藍寶石，根據(jù)表面等離子體光場縱向局域的需要，照明光的入射角度可以在0°～90°范圍內(nèi)變化。

其中，所述步驟(3)中衍射結(jié)構(gòu)層的厚度d₁可以為20nm～100nm，衍射結(jié)構(gòu)可以為鉻、硅或石英等納米結(jié)構(gòu)，衍射結(jié)構(gòu)的分布間隔小于波長以激發(fā)各級次倏逝平面波，照明光的偏振態(tài)可以為線偏振、橢圓偏振、圓偏振以及其他特殊偏振，具體偏振態(tài)選擇以衍射結(jié)構(gòu)的分布決定。

其中，所述步驟(3)中衍射結(jié)構(gòu)可以采用干涉光刻和刻蝕傳遞，聚焦離子束直寫或電子束直寫等微納米加工技術(shù)手段。

其中，所述步驟(4)中結(jié)構(gòu)平坦層可以PMMA等能夠熱回流的介質(zhì)材料。

其中，所述步驟(3)和(4)中膜層制備可以采用電子束阻蒸、磁控濺射或原子束沉積。