[發(fā)明專利]一種光波導(dǎo)激發(fā)納腔表面等離激元共振的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210066487.8
• 申請(qǐng)日: 2022-01-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114486816B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王攀;劉璐芳;仝遠(yuǎn)彪;童利民;郭欣;鄭鈞升;潘陳馨鈺;李志勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)嘉興研究院;浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/552
• 分類號(hào): G01N21/552
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開(kāi)了一種光波導(dǎo)激發(fā)納腔表面等離激元共振的方法。在光波導(dǎo)的端面、外表面等表面上布置有由金屬納米顆粒、介質(zhì)層、金屬膜組成的納腔結(jié)構(gòu)；將金屬膜先布置在光波導(dǎo)的表面上，金屬納米顆粒再通過(guò)介質(zhì)層隔絕地布置在金屬膜外表面上。本發(fā)明通過(guò)從金屬膜下表面激發(fā)納腔從而實(shí)現(xiàn)納腔與光纖、集成光波導(dǎo)等光學(xué)系統(tǒng)的緊湊高效集成，不需要顯微鏡激發(fā)，易于集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本廉價(jià)，滿足納腔等離激元器件小型化和集成化發(fā)展的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于納米光子學(xué)、表面等離激元研究領(lǐng)域的一種納腔表面等離激元激發(fā)方法，特別涉及一種光波導(dǎo)激發(fā)納腔表面等離激元共振的方法。

背景技術(shù)

利用金屬納米結(jié)構(gòu)支持的局域表面等離激元共振(localized surface plasmonresonance,LSPR)，即金屬納米結(jié)構(gòu)中自由電子在外部光場(chǎng)作用下產(chǎn)生的集群振蕩，可以對(duì)光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的局域和增強(qiáng)，顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，從而在光學(xué)傳感、非線性光學(xué)、納米激光器、微納光子器件等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但是，對(duì)于單個(gè)金屬納米顆粒，其光場(chǎng)局域能力通常大于10nm。為了實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的局域和增強(qiáng)，通常將金屬納米結(jié)構(gòu)靠近以實(shí)現(xiàn)兩者的耦合，在納米尺度間隙內(nèi)可以獲得高度局域且增強(qiáng)的光場(chǎng)。但是，受限于納米加工制備技術(shù)，利用自上而下方法(光刻并結(jié)合金屬沉積、聚焦離子束刻蝕等)制備的間隙等離激元納米結(jié)構(gòu)(如領(lǐng)結(jié)型金屬納米結(jié)構(gòu))雖然可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備，但其光場(chǎng)局域能力不小于5nm。利用溶液中誘導(dǎo)團(tuán)聚產(chǎn)生的納米顆粒多聚體結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)納米甚至亞納米尺度的間隙,被用于增強(qiáng)拉曼散射、熒光和光學(xué)非線性效應(yīng)等，但其制備可控性差、效率低，且難以將功能材料(如熒光分子、量子點(diǎn)、二維材料等)集成到納米間隙中去以實(shí)現(xiàn)功能器件。近年來(lái)，基于金屬納米顆粒-介質(zhì)-金屬薄膜(nanoparticle-on-film,NPoF)結(jié)構(gòu)的等離激元納腔(plasmonic nanocavity)受到了人們的廣泛關(guān)注。通過(guò)調(diào)節(jié)其介質(zhì)間隙厚度，該結(jié)構(gòu)可以輕松將光場(chǎng)局域到納米甚至亞納米尺度。同時(shí)，得益于成熟的金屬薄膜和平面介質(zhì)制備技術(shù)，NPoF納腔結(jié)構(gòu)容易制備，并且可以根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)調(diào)節(jié)納米顆粒形貌和介質(zhì)層厚度靈活調(diào)節(jié)等離激元納腔模式。因此，最近十年，基于這種靈活且多功能的NPoF納腔平臺(tái)產(chǎn)生了一系列突破性工作。

目前，幾乎所有的NPoF納腔都是基于厚度大于50nm的金屬膜(幾乎不透光)構(gòu)建的。因此，通常需要從金屬納米顆粒一側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)NPoF納腔的激發(fā)和相應(yīng)光學(xué)信號(hào)的收集。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)自由空間光束的轉(zhuǎn)向或聚焦，往往需要使用大體積的光學(xué)部件如反射鏡、透鏡、顯微物鏡等，這極大地限制了基于納腔的光子器件的小型化，也阻礙了納腔等離激元器件和其它微納光電子器件間的有效集成。因此，如何實(shí)現(xiàn)NPoF納腔緊湊且高效的激發(fā)，是目前本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光波導(dǎo)激發(fā)納腔表面等離激元共振的方法，本發(fā)明利用光學(xué)透明的金屬膜來(lái)構(gòu)建NPoF納腔，并將其與光波導(dǎo)集成，利用在光波導(dǎo)中傳播的光從金屬膜下表面激發(fā)納腔，因此利用該方法可以實(shí)現(xiàn)NPoF納腔的緊湊、高效激發(fā)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為：

一、一種用于光波導(dǎo)激發(fā)納腔表面等離激元共振的方法

在光波導(dǎo)的端面、外表面等表面上布置有由金屬納米顆粒、介質(zhì)層、金屬膜組成的納腔結(jié)構(gòu)；將金屬膜先布置在光波導(dǎo)的表面上，金屬納米顆粒再通過(guò)介質(zhì)層隔絕地布置在金屬膜外表面上。

所述的光波導(dǎo)為光纖或者集成光波導(dǎo)。

所述的光波導(dǎo)為非微納光纖，非微納光纖包括光纖包層和光纖纖芯，設(shè)置納腔結(jié)構(gòu)在非微納光纖的端面上，具體是將金屬膜布置在非微納光纖的端面上且完整覆蓋非微納光纖的光纖纖芯，金屬膜外表面布置一層介質(zhì)層，介質(zhì)層外表面固定上金屬納米顆粒。

所述的光波導(dǎo)為微納光纖，設(shè)置納腔結(jié)構(gòu)在微納光纖的外周面上，具體是將金屬膜布置在微納光纖的外周面上，金屬膜外表面包覆一層介質(zhì)層，介質(zhì)層外表面固定上金屬納米顆粒。