[发明专利]一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton）SPP是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，其存在可以通过求解在金属与介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPP最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应，近年来SPP得到了研究者的广泛关注。

由于SPP可以在亚波长尺度上操控光场并具有共振场增强效应，这使得它有很多的应用，比如表面增强拉曼光谱SERS、增强荧光、纳米光刻、高密度存储等等。在很多的应用场合，人们都需要纳米聚焦的光场，不仅仅是要突破衍射极限，而且要进一步将光场局域到深亚波长的尺寸。为了得到SPP在空间上的亚波长局域，一个重要的方法是使用表面等离激元透镜（Plasmonic Lens）PL。表面等离激元透镜最基本的形式就是在厚的贵金属膜上刻透的纳米缝圆环。它可以将SPP在其中心处聚焦为一个亚波长的光斑，同时具有增强的局域场。已有的PL还包括用对称性破缺的纳米围栏实现聚焦以及用分立的圆弧实现SPP涡旋产生，等等。然而，传统的PL只能将SPP聚焦为一个尺寸比SPP半波长稍微小一点的光斑，对应的场增强倍数也不是很高，无法实现光场的深亚波长局域。最近，通过在表面等离激元透镜中心集成上一个“金纳米针”结构，如图1所示，这种“级联天线”结构可以进一步地将光场局域到深亚波长尺寸，同时在针尖处得到非常巨大的场增强。

虽然上述结构实现了光场的深亚波长聚焦与局域，不过由于该结构的圆对称性，实现上述功能需要使用径向偏振光，同时要求入射光束的中心和PL的中心精确对准。这点并不容易实现，也限制了该结构的现实应用。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种新的简单同时实现光场的深亚波长局域和巨大场增强的表面等离激元透镜。

本发明的目的在于提供一种集成金属纳米腔的表面等离激元透镜。

本发明的集成金属纳米腔的表面等离激元透镜包括：衬底、金膜、纳米缝圆环和金属纳米腔；其中，金膜镀在衬底的上表面；纳米缝圆环位于金膜上并穿透金膜；以及金属纳米腔为矩形浅槽，位于纳米缝圆环的中心，从金膜的上表面开始刻到金膜内一定深度但没有刻透。

衬底为透明的介质。从而，入射光能够从衬底透射，入射到金膜上。

金膜的厚度T远大于光波在金属中的穿透深度h_skin，并且即使在金膜的上表面刻上为矩形浅槽的金属纳米腔，金属纳米腔的深度h，从金属纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜的厚度仍能远大于光的穿透深度，即T-h>>h_skin，从而阻止了衬底的入射光直接透过，使得位于金膜的中心的金属纳米腔是一个纯的SPP腔。

纳米缝圆环可以为单圈圆环或两圈以上同心圆环。

纳米缝圆环为单圈圆环时，圆环的内直径D为5~20微米；缝宽w为50~300纳米。

金属纳米腔位于纳米缝圆环的中心，是从金膜上表面开始刻到金膜内一定深度但没有刻透的矩形浅槽，金属纳米腔的左侧壁、纳米腔内的空气、金属纳米腔的右侧壁，形成金属-介质-金属MIM垂直腔。

金属纳米腔的长度L≥180纳米；宽度g为5~50纳米；深度h由长度L和宽度g来确定。当g和L一定时，深度h为一阶共振的深度。

当沿X方向线偏振的光从衬底的下表面沿Z方向正入射到等离激元透镜上时，存在于金膜/空气界面的SPP将会被纳米缝圆环有效地激发并向中央聚焦。聚焦在金属纳米腔的边缘处的SPP将会激发金属纳米腔内的MIM波导模式，同时该模式将会在金属纳米腔的底部和顶部来回反射，形成MIM垂直腔。在合适的条件下，金属纳米腔达到共振，此时光场将会得到紧束缚和局域增强。

进一步，本发明的纳米缝圆环可以为两圈以上同心圆环。通过使用多圈同心圆环来代替单圈圆环，利用多圈同心圆环在能量收集过程中的共振效应，更多的远场能量将会被转化到近场，同时也将得到更大的局域场增强。