[发明专利]表面等离子体激元产生装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用SPASER(surface plasmon amplification by stimulatedemission of radiation，受激放大的表面等离子体激元辐射)二极管的表面等离子体激元产生装置及制造该表面等离子体激元产生装置的方法。

背景技术

金属表面中产生的表面等离子体激元(SP：surface plasmon)比空气中传播的光具有更高的波数，因此目前在近场光应用和纳米光子学方面被广泛采用，尤其是在生物传感方面。金属体可以具有由平面构成的一维结构、由条等构成的二维结构或者诸如微小颗粒的三维结构。在所有的情况下，表面等离子体激元的波数能够通过将至少一个轴的长度调整到几纳米至五十纳米而增加。换言之，这样的金属体提供了高的空间分辨率。

在纳米尺寸的三维金属体(在下文，称为″纳米金属体″)中产生表面等离子体激元的工艺之一是散射从外部进入的入射光。

然而，在非谐振状态下，散射截面的面积相当小，从而入射光与表面等离子体激元的耦合效率低。

已经有报道，当纳米金属体相对于表面等离子体激元经历几何谐振(空腔)时，将获得高Q值(增益)。经历几何谐振的结构的示例包括微小的球、棒、条和槽。当Q值高时，具有由表面等离子体激元产生的强电磁场的渐逝光与入射光的耦合引起聚光，由此散射截面的面积增加(例如，参考C.F.Bohren，D.R.Huffman″Absorption and Scattering of Light by Small Particles″WILEY SCIENCE PAPERBACK SERIES，pp.340-341)。还是在该情况下，散射截面面积的增加约为光的波长。为了实现高的耦合效率，希望将入射光聚集达到衍射限度，或者希望增加位置精度。然而，这涉及复杂的系统。

通常，激光束因谐振频率宽度窄而用作入射光。目前，即使提供最高电-光功率转换效率(EO效率)的半导体激光器在可见光区域在激光输出单元处也仅显示出约40％的EO效率。在通过各种光学系统后EO效率将降低到百分之几。因此可见，电-表面等离子体激元(E-SP)的转换效率也是非常低的。

已经有这样的报道，当由表面等离子体激元产生的亚波长局部电磁场接近具有能带隙的增益介质时，能带隙中的电子-空穴对的能量转移到表面等离子体激元。

例如，当介质为半导体量子阱时，发生″量子阱-表面等离子体激元耦合″(参考K.Okamoto，I.Nimi，A.Shvartser，Y.Narukawa，T.Mukaiand，A.Scherer，″Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells.″Nature Mat.3，601(2004))。半导体量子阱通过光激发产生电子-空穴对，并且电子-空穴对的能量被转移到表面等离子体激元。因此，表面等离子体激元的能量hv等于或者小于激发光的能量。在此状态下，表面等离子体激元是非相干的。

当纳米金属体经历几何谐振时，与谐振器中的光一样，发生表面等离子体激元的受激发射，并且可以产生相干的表面等离子体激元。该现象称为SPASER，即受激放大的表面等离子体激元辐射。例如，已经提出了具有半导体纳米点的金属壳结构(例如，参考M.I.Stockman，″Spasers explained″Nature Photonics 2，327(2008))。增益介质通过光激发产生电子-空穴对，并且电子-空穴对的能量转移到表面等离子体激元。因此，表面等离子体激元的能量hv等于或小于激发光的能量。在任何情况下，与上述的谐振散射的情况一样，希望有用于聚集入射光的高精度系统，以光学激发增益介质。而且，不是所有的入射光都被增益介质吸收。可见，即使在半导体激光束用作入射光源的情况下，E-SP效率也非常低。

表面等离子体激元的利用可以粗略地分成远场系统和近场系统。具体到近场系统中，表面等离子体激元可以用在采用高强度局部光的应用中，诸如各种传感、微小颗粒和DNA的捕获、信息记录装置以及近场曝光装置。然而，从工业应用的观点看却存在缺点，如E-SP效率低，系统部件(特别是光学部件)的数量多，并且要求光学系统的高精度位置控制。而且，因为不是所有的入射光都被增益介质吸收，所以入射光本身成为了局部光的背景噪声，导致S/N比低。

发明内容

所希望的是，提高E-SP效率并且减少系统部件(尤其是光学部件)的数量。