一种光波导激发纳腔表面等离激元共振的方法

1.本发明涉及属于纳米光子学、表面等离激元研究领域的一种纳腔表面等离激元激发方法，特别涉及一种光波导激发纳腔表面等离激元共振的方法。


背景技术：

2.利用金属纳米结构支持的局域表面等离激元共振(localized surface plasmon resonance,lspr)，即金属纳米结构中自由电子在外部光场作用下产生的集群振荡，可以对光场实现亚波长尺度的局域和增强，显著增强光与物质的相互作用，从而在光学传感、非线性光学、纳米激光器、微纳光子器件等领域发挥着重要作用。但是，对于单个金属纳米颗粒，其光场局域能力通常大于10nm。为了实现更强的局域和增强，通常将金属纳米结构靠近以实现两者的耦合，在纳米尺度间隙内可以获得高度局域且增强的光场。但是，受限于纳米加工制备技术，利用自上而下方法(光刻并结合金属沉积、聚焦离子束刻蚀等)制备的间隙等离激元纳米结构(如领结型金属纳米结构)虽然可以实现结构的大规模制备，但其光场局域能力不小于5nm。利用溶液中诱导团聚产生的纳米颗粒多聚体结构虽然可以实现纳米甚至亚纳米尺度的间隙,被用于增强拉曼散射、荧光和光学非线性效应等，但其制备可控性差、效率低，且难以将功能材料(如荧光分子、量子点、二维材料等)集成到纳米间隙中去以实现功能器件。近年来，基于金属纳米颗粒-介质-金属薄膜(nanoparticle-on-film,npof)结构的等离激元纳腔(plasmonic nanocavity)受到了人们的广泛关注。通过调节其介质间隙厚度，该结构可以轻松将光场局域到纳米甚至亚纳米尺度。同时，得益于成熟的金属薄膜和平面介质制备技术，npof纳腔结构容易制备，并且可以根据实际需求通过调节纳米颗粒形貌和介质层厚度灵活调节等离激元纳腔模式。因此，最近十年，基于这种灵活且多功能的npof纳腔平台产生了一系列突破性工作。
3.目前，几乎所有的npof纳腔都是基于厚度大于50nm的金属膜(几乎不透光)构建的。因此，通常需要从金属纳米颗粒一侧来实现npof纳腔的激发和相应光学信号的收集。为了实现对自由空间光束的转向或聚焦，往往需要使用大体积的光学部件如反射镜、透镜、显微物镜等，这极大地限制了基于纳腔的光子器件的小型化，也阻碍了纳腔等离激元器件和其它微纳光电子器件间的有效集成。因此，如何实现npof纳腔紧凑且高效的激发，是目前本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光波导激发纳腔表面等离激元共振的方法，本发明利用光学透明的金属膜来构建npof纳腔，并将其与光波导集成，利用在光波导中传播的光从金属膜下表面激发纳腔，因此利用该方法可以实现npof纳腔的紧凑、高效激发。
5.本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
6.一、一种用于光波导激发纳腔表面等离激元共振的方法
7.在光波导的端面、外表面等表面上布置有由金属纳米颗粒、介质层、金属膜组成的纳腔结构；将金属膜先布置在光波导的表面上，金属纳米颗粒再通过介质层隔绝地布置在金属膜外表面上。
8.所述的光波导为光纤或者集成光波导。
9.所述的光波导为非微纳光纤，非微纳光纤包括光纤包层和光纤纤芯，设置纳腔结构在非微纳光纤的端面上，具体是将金属膜布置在非微纳光纤的端面上且完整覆盖非微纳光纤的光纤纤芯，金属膜外表面布置一层介质层，介质层外表面固定上金属纳米颗粒。
10.所述的光波导为微纳光纤，设置纳腔结构在微纳光纤的外周面上，具体是将金属膜布置在微纳光纤的外周面上，金属膜外表面包覆一层介质层，介质层外表面固定上金属纳米颗粒。
11.所述的光波导为集成光波导，设置纳腔结构在集成光波导的上表面上，具体是将金属膜布置在集成光波导的上表面上，金属膜外表面包覆一层介质层，介质层外表面固定上金属纳米颗粒。
12.所述的金属纳米颗粒和金属膜的材料为金、银、铜、铝等。
13.所述的金属膜的厚度小于50nm，为采用热蒸镀、电子束蒸镀、磁控溅射等方法制备的多晶金属膜、或者化学方法合成的单晶金属片。
14.所述的介质层的厚度小于20nm，材料包括聚合物、有机分子、氧化硅、氧化铝等。
15.二、一种用于光波导激发纳腔表面等离激元共振的结构：
16.在光波导的端面、外表面等表面上布置有由金属纳米颗粒、介质层、金属膜组成的纳腔结构；金属膜布置在光波导的表面上，金属纳米颗粒通过介质层隔绝地布置在金属膜外表面上，使得光波导的表面向外依次布置金属膜、介质层、金属纳米颗粒。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明利用光学透明的金属膜来构建npof纳腔，可通过从金属膜下表面激发纳腔从而实现纳腔与光纤、集成光波导等光学系统的紧凑高效集成，不需要显微镜激发，而避免了显微镜激发带来的设备昂贵、难以集成等问题，易于实现基于等离激元纳腔的小型化、高度集成的微纳光子器件。
19.本发明基于光波导提供了一种易于集成、结构简单、成本廉价的高效激发纳腔的方法，满足纳腔等离激元器件小型化和集成化发展的需求。
附图说明
20.图1是本发明方法在普通光纤端面上布置的结构示意图。
21.图2是本发明实例所用的37
°
角抛光的斜角光纤光学显微镜图。
22.图3是本发明实例所用的37
°
角抛光的斜角光纤和纳腔集成的光学显微镜图。
23.图4是本发明实例斜角光纤激发低密度纳腔的光学显微镜图。
24.图5是本发明实例斜角光纤激发单个纳腔的光谱曲线图。
25.图6是本发明实例斜角光纤激发高密度纳腔的光学显微镜图。
26.图7是本发明实例平整端面光纤和纳腔集成的示意图。
27.图8是本发明方法在微纳光纤表面布置的结构示意图。
28.图9是本发明实例微光纤和低密度纳腔集成的光学显微镜图。
29.图10是本发明实例微光纤激发低密度纳腔的光学显微镜图。
30.图11是本发明实例集成波导和纳腔集成的示意图。
31.图12是基于暗场显微镜激发纳腔的装置图。
32.图中，1-金属纳米颗粒、2-介质层、3-金属膜、4-光纤包层、5-光纤纤芯、6-激发光、7-非微纳光纤、8-微纳光纤、9-集成光波导、10-暗场光学显微装置。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。权利要求包括但不限于以下实施例。
34.如图1所示，在光波导的端面、外表面等表面上布置有由金属纳米颗粒1、介质层2、金属膜3组成的纳腔结构；将金属膜3先布置在光波导的表面上，金属纳米颗粒1再通过介质层2隔绝地布置在金属膜3外表面上，使得光波导的表面向外依次布置金属膜3、介质层2、金属纳米颗粒1。
35.本发明利用光学透明的金属膜3来构建npof纳腔，并将金属膜3、金属纳米颗粒1与光波导结合，利用在光波导中传播的光6从金属膜3下表面激发纳腔，从而实现npof纳腔的紧凑、高效激发。
36.构建npof纳腔形成纳腔集成包括：与光纤端面、斜抛光纤端面、微纳光纤侧壁、集成光波导侧壁的集成。
37.光波导为光纤或者光波导，光纤可以为非微纳光纤或者微纳光纤，光波导可以为硅光波导、氮化硅光波导、聚合物光波导等。
38.具体实施的金属纳米颗粒1至少为一颗，也可以是多颗。
39.如图1所示，光波导为非微纳光纤7，非微纳光纤7包括光纤包层4和光纤纤芯5，设置纳腔结构在非微纳光纤7的端面上，具体是将金属膜3布置在非微纳光纤7的端面上且完整覆盖非微纳光纤7的光纤纤芯5，金属膜3外表面布置一层介质层2，介质层2外表面固定上金属纳米颗粒1。激发光6从光纤纤芯5输入，达到光纤纤芯5的端面后从金属膜3下表面激发纳腔。
40.如图8所示，光波导为微纳光纤8，设置纳腔结构在微纳光纤8的外周面上，具体是将金属膜3布置在微纳光纤的外周面上，金属膜3外表面包覆一层介质层2，介质层2外表面固定上金属纳米颗粒1。激发光6从微纳光纤输入，达到金属膜3处后从金属膜3下表面激发纳腔。
41.如图11所示，光波导为集成光波导9，设置纳腔结构在集成光波导9的上表面上，具体是将金属膜3布置在集成光波导9的上表面上，金属膜3外表面包覆一层介质层2，介质层2外表面固定上金属纳米颗粒1。激发光6从集成光波导9一端入，达到金属膜3处后从金属膜3下表面激发纳腔。
42.金属纳米颗粒1和金属膜3的材料为金、银、铜、铝等。金属纳米颗粒1和金属膜3的材料可以相同，也可以不同。金属纳米颗粒1的形状为球形、棒形、星形、立方形等。
43.具体实施中，金属膜3的厚度小于50nm，为采用热蒸镀、电子束蒸镀、磁控溅射等方法制备的多晶金属膜、或者化学方法合成的单晶金属片等方法制备。介质层2的厚度小于20nm，材料包括聚合物、有机分子、氧化硅、氧化铝等。
44.本发明的具体实施情况如下：
45.首先，在光波导上制备合适尺寸的金属膜，在本发明中采用单模光纤作演示，当然也适用其它类型的光波导，同时为了实现npof纳腔的无背景激发，采用37
°
角抛光的斜角单模光纤作演示。
46.图2是采用的斜角单模光纤的光学显微镜图。金属膜可以采用热蒸镀、磁控溅射等方法在斜角单模光纤端面沉积，也可利用化学合成的单晶金属片，利用相应的转移方法将其转移到光纤端面，在本发明中，我们采用单晶金属片作为演示。
47.图3是在斜角单模光纤端面转移单晶金属片后的光学显微镜图，该单晶金属片厚度为40nm。随后，在单晶金属片区域沉积金属纳米颗粒，即可得到集成在斜角单模光纤端面的npof纳腔。在本发明中，作为演示，金属纳米颗粒采用化学合成的金纳米棒，平均尺寸为103nm和52nm；介质层由金纳米棒表面约1nm厚的十六烷基三甲基溴化铵和单晶金片表面约1nm厚的聚合物层构成，当然也可以用原子层沉积、聚电解质层层自组装等方法可控制备不同厚度的介质层。
48.当激发光耦合进入光纤后，在光纤内部传输的激发光在斜角单模光纤端面发生全内反射，其倏逝场可以穿透单晶金属片，从而实现从金属片下表面对npof纳腔的紧凑激发。
49.图4是斜抛光纤端面激发低密度npof纳腔的光学显微镜图，可以明显看到单个npof纳腔的散射光，来源于npof纳腔的lspr辐射发光。图5显示的是该npof的散射光谱，有多个明显的散射峰，分布对应npof纳腔所支持的不同模式。利用自组装方法也可以构建高密度npof纳腔阵列，如图6所示，在37
°
角抛光的斜角光纤端面上高密度的纳腔被高效激发。当然，在不需要无背景激发npof纳腔的情况下，也可以直接使用端面平整的光纤来集成npof纳腔，如图7所示。在这种情况下，npof纳腔可以被透过金膜的激发光直接激发。
50.如图8所示，除了标准光纤，也可以将npof纳腔和微纳光纤、硅波导、氮化硅波导等微纳光波导集成起来，在本发明中采用微光纤作演示。采用火焰拉伸的方法制备直径为20μm的二氧化硅微光纤。利用转移方法将化学合成的单晶金属片转移到该微光纤外周面上，金属片厚度为20nm，如图9所示。随后，在金属区域沉积金属纳米颗粒，即可得到集成在微光纤上的npof纳腔。在本发明中，作为演示，金属纳米颗粒采用化学合成的金纳米棒，平均尺寸为103nm和52nm；介质层由金纳米棒表面约1nm厚的十六烷基三甲基溴化铵和单晶金片表面约1nm厚的聚合物层构成，当然也可以用原子层沉积、聚电解质层层自组装等方法可控制备不同厚度的介质层。当激发光耦合进入微光纤后，在微光纤内部传输的激发光，其倏逝场可以穿透金属片，从而实现从金属片下表面对npof纳腔的紧凑激发。图10是微光纤激发低密度npof纳腔的光学显微镜图，可以明显看到单个npof纳腔的散射光，来源于npof纳腔的lspr辐射发光。
51.图11显示的是集成波导和纳腔集成的示意图。利用转移方法将金属膜转移到集成波导上表面上，在金属膜区域沉积金属纳米颗粒，即可得到集成在集成波导上的npof纳腔。当激发光源耦合进入后，在集成波导内部传输的激发光，其倏逝场可以穿透金属膜，从而实现从金属膜下表面对npof纳腔的紧凑激发。
52.与传统的借助暗场显微镜激发纳腔的方式(如图12所示)相比，上述各实施例结构简单、成本廉价、易于制备和集成，满足纳腔等离激元器件小型化和集成化发展的需求。