[发明专利]一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件

说明书

本发明揭示了一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件，该场局域增强器件包括四层结构，即第一层结构、第二层结构、第三层结构和第四层结构，第一、二、三和四层结构是由内向外逐层构成一个同轴圆锥形结构。第一层结构为高折射率介质层，第二层结构为低折射率介质层，第三层结构为更低折射率的低折射率介质层，第四层结构为贵金层，其中第一、二、三层介质的折射率是逐渐减小的。本发明结构简单易设计，材料获取容易，制备易实现，能够有效地降低损耗，具有极强的场局域增强。该结构具备同时对线偏振光和径向偏振光实现局域场增强功能，突破了现有技术的偏振态局限性，在高分辨率成像、粒子操纵和光学数据存储等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件，可用于高集成密度光子集成电路、高分辨率成像、粒子操纵和光学数据存储等诸多技术领域。

背景技术

随着高精度加工技术和器件高度集成化的不断挺高，纳米光学也受到了更多的人关注，光学中的纳米单元器件也成为了许多学者研究的重点。由于单元器件的大小和空间距离在不断地缩小，在设计特殊形状和大小的纳米级器时会碰上了技术上的困难--衍射极限。衍射极限限制了高度集成的纳米光学器件的发展，而表面等离激元(Surface PlasmonPolaritons，SPPs)在解决这一技术困难中起到了决定性作用。

SPPs是指金属表面自由电子同入射光子相互耦合形成的非辐射电磁模式。1902年，Wood在实验室第一次观察到SPPs。在随后几十年的理论和实践表明，SPPs可以打破空间的衍射极限，从而增强局部电场。鉴于SPPs的纳米尺度的结构和场的局域增强特性，在高集成密度光子集成电路、高分辨率成像、粒子操纵和光学数据存储等领域有显著的应用。

径向偏振光是轴对称偏振结构，而且在光轴上的电场大小相同但偏振方向相反。由于径向偏振光的对称性和径向偏振光可以在金属表面可激发SPPs的P偏振，所以可以有效地提高SPPs激发效率，并通过金属尖端进一步局部化和增强；而线偏振光就不能很好地满足SPPs的激发偏振要求。相对于线偏振光，径向偏振光还可以消除背景噪声。当所使用的亚波长金属微纳米结构具有轴对称性质并用径向偏振光源照明激发SPPs时，能量利用率更高、聚焦点更小并且可以自动满足SPPs激发所需的横磁偏振条件。

2000年，Babadjanyan使用锥形金属丝的简单锥形模型进行理论预测。2003年，Sun和Shen建立了一个更具体的锥形模型，并对其参数进行分析。2007年，Weibin Chen等人提出了一种介质-金属双层圆锥结构，一柱矢量光束从该结构底端入射，在结构尖端实现很好的场聚焦效果。2018年Ji Xu研究了高折射率介质-低折射率介质-金属的三层混合等离激元的锥结构提高了场局域的聚焦效果。针对高折射率介质-低折射率介质-更低折射率的低折射率介质-金属的四层锥形的结构比上述的两层和三层锥形结构对柱光束具有低损耗的特性，所以提出了折射率介质层的折射率逐渐减少的四层的圆锥形的场局域增强器件。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件，该场局域增强器件包括四层结构，即第一层结构、第二层结构、第三层结构和第四层结构，所述第一层结构、第二层结构、第三层结构和第四层结构是由内向外逐层构成一个同轴圆锥形结构。

优选地，所述第一层结构为高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率为n₁。

优选地，所述第二层结构为低折射率介质层，所述低折射率介质层的折射率为n₂。

优选地，所述第三层结构为更低折射率的低折射率介质层，所述更低折射率的低折射率介质层的折射率为n₃。