[实用新型]调控多个随机不相干单光子发射器辐射的蘑菇纳米天线

说明书

本实用新型公开了调控多个随机不相干单光子发射器辐射的蘑菇纳米天线，包括：环境基质、衬底和蘑菇状纳米天线/阵列；其中蘑菇状纳米天线包括天线菌盖、天线菌柄和依附于天线菌柄的单光子发射器；所述菌盖和菌柄的尺寸、材料都可分开设计，对应的谐振频段可进行灵活调控，能满足不同单光子发射器的斯托克位移；其中菌柄的谐振频段与单光子发射器的激发频段耦合，产生电磁场局域增强以增强单光子发射器的激发强度；菌盖的谐振频段与单光子发射器的发射频段耦合以增强单光子发射器的发射强度和调控辐射方向性，提高光收集利用效率。此外，该结构对单光子发射器的极化排列没有依赖性，能够调控多个不相干单光子发射器。

技术领域

本实用新型涉及微纳单分子精度传感、微纳单光子源（single-photon source）和高分辨率成像等相关领域，具体是指调控多个随机不相干单光子发射器辐射强度和方向性的蘑菇状纳米天线。

背景技术

对单分子或原子尺度的物质进行探测，不仅是近代科学研究的热点，同时也是未来高精度传感，高分辨率成像等领域发展的必然趋势。由于单个分子和原子的尺寸通常只有几个纳米甚至更小，传统手段很难直接探测。单光子发射器（single-photon emitter）是一种在受外界能量激发后，能够产生单频率或单色光的光子源。单光子发射器自身的尺寸与分子、原子相近，能够与该尺度的物质有效作用，是对单个分子、原子进行追踪和探测最可靠的手段之一。同时，一些单光子发射器（尤其是有机荧光分子和量子点）的表面化学性质可以进行特定的处理，能够针对目标分子、原子进行有选择性的标记（selective-labeling），具有良好的稳定性和可调控性。然而在实际应用中，单光子发射器自身的辐射强度很微弱，同时其极性排列不受控制，辐射一般不具有方向性。现有很多技术方案是采用的改变纳米天线的材料，或者改变单光子源器件结构以研究并应用于该领域，但是针对上述问题，目前的技术方案很难克服。

纳米天线是利用亚波长纳米结构的谐振效应调控光的传播强度和方向性的技术。一方面，纳米天线能够利用表面等离激元和高折射率电介质等材料在单光子发射器的激发频段产生谐振，提供超强的光学近场以增强其激发强度；另一方面，纳米天线能够与单光子发射器的发射频段耦合，改变其辐射的方向性和角度扩散，提高光的收集利用率。通过以上两方面的增益，纳米天线可以使单光子发射器即使在皮摩尔甚至飞摩尔浓度下也能够被光电探测器探测，真正意义上实现对单个分子、原子的探测。然而目前已知的纳米天线通常只对单光子发射器的某一特定极化排列有增强作用，无法对实际情况中多个随机排列的不相干单光子发射器进行有效调控。因此有部分研究人员对纳米天线的结构进行研究改进，例如，北京邮电大学的丁天于2014年1月7日发表的《基于光学天线的单光子源性能研究》文献中首先公开了对单光子源和光学天线进行了理论研究，然后设计了一种新颖的扇杆光学天线,并采用使用时域有限差分法对扇杆天线进行模拟仿真,讨论了扇杆天线的普塞尔效应。最后对一种金属-介质八木纳米天线进行了模拟仿真,同时实现了很高的辐射衰减率增强和方向性。但是同时，单光子发射器的激发频段和发射频段之间常常存在着几十至几百纳米的斯托克位移（Stoke-shift），简单的纳米天线设计很难同时增强其激发强度和发射强度，而复杂的纳米天结构对外延设备要求高、制备难度大。该文献中设计的天线结构也不能很好地实现和克服上述技术问题，因此，设计一种制备简单且能满足单光子发射器斯托克位移的纳米天线，实现对多个随机不相干单光子发射器的辐射强度和方向性的调控，具有重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种能调控多个随机不相干单光子发射器辐射强度和方向性的蘑菇状纳米天线，该天线结构能够满足不同单光子发射器的斯托克位移（Stoke-shift），且结构简单，便于制备；该结构可广泛应用于微纳单分子精度传感，微纳单光子源和高分辨率成像等相关领域。

为实现上述目的，本实用新型采用技术方案如下：