一种三维等离激元光学聚焦结构的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米技术和三维金属表面结构的加工技术，具体地说，本发明涉及一种三维等离激元纳米聚焦结构的制备方法。
【背景技术】
[0002]表面等离子体激元是一种光波与金属中自由电子相互作用产生的电磁模式，它能突破衍射极限，实现亚波长级别甚至纳米级别的光电回路的集成。随着科学技术的迅猛发展，尤其是在高端纳米光学应用领域，如高分辨近场光学成像、针尖增强拉曼光谱，光学集成器件，纳米光刻、光学信息存储以及生物传感等领域，常常需要可聚焦光斑为纳米量级的光学器件。然而，由于衍射极限的存在，限制了传统光学技术的进一步发展。因此，如何在纳米量级上实现光操控，以及突破衍射极限成为重要的研究方向。
[0003]由于衍射效应的影响，传统的聚焦光斑大小或者传播光束的直径一般局限于波长量级。虽然通过传统的小孔光阑可得到亚波长的聚焦光斑，但通过小孔的光通量与小孔的半径成正比，与入射波的波长成反比，光能损耗巨大。借助于金属薄膜表面的周期性结构所产生的表面等离激元(Surface plasmon polaritons, SPPs),可以将纳米小孔的光能透过率提高两个数量级以上，获得奇异增强效应。而通过锥形结构，可以将光能透过率进一步提高，并获得更小的光斑直径。本文中，锥形泛指具有任何形状底面的锥形，例如:圆锥形，金字塔状锥形，以及底面为三角形，底面为五边形、六边形等各类多边形的锥形。
[0004]目前，基于三维等离激元光学聚焦在理论和实验上已有不少成果。例如，文献“Plasmonic nanofocusing with a metallic pyramid and an integrated C-shapedaperture, Scientific Reports | 3:1857 | DO1: 10.1038/srep01857”公开了一种三维等离激兀光学聚焦结构。其制备方法如下:通过硅衬底的各向异性湿法腐蚀，获得倒金字塔结构；然后通过金属沉积，在金字塔结构表面获得金属层；继而对金字塔进行环氧树脂的填充，通过剥离，将表面附有金属层的环氧树脂金字塔结构与硅衬底分离，获得环氧树脂金字塔结构金属表面。进一步地，为克服对称结构表面等离激元传播到顶端产生的相消干涉效应，该方案通过聚焦离子束刻蚀，获得了金字塔顶端具有开口与尖端的复合三维光学聚焦结构。该方案能非常有效地提高光能透过率并获得极小的光斑尺寸，然而其操作过程及其复杂、可扩展性差；同时在通过几何结构、尺寸与材料提高光增强光能透过率方面受到很大限制。
[0005]文献“Plasmonic nanograting tip design for high power throughput near-fieldscanning aperture probe, Optic Expressl814004 (2010) ” 提出了一种更加优化的三维等离激元光学聚焦结构。该方案在S12金字塔状锥形结构表面蒸度Ag，然后通过聚焦离子刻蚀，在Ag表面定点加工纳米微光栅结构，从而提高Z-方向的光耦合传播，并与在锥形结构的顶端设计的光阑结合，实现了光波导模式传播能量与等离激元能量的有效转换，获得更高的尖端场增强。这种方案理论上能有效地提高三维等离激元聚焦效果，然而，三维等离激元光学聚焦结构十分微小，在这种微小结构表面定点加工纳米微光栅对加工精度要求极高，工艺难度极大，可重复性不高。
[0006]因此，当前迫切需要一种制作工艺难度较低、耗时少、成品率高且具有高灵活性的三维纳米聚焦结构的制备方案。
【发明内容】
[0007]因此，本发明的任务是提供一种制作工艺难度较低、耗时少、成品率高且具有高灵活性的三维纳米聚焦结构的制备方案。
[0008]本发明提供了一种三维等离激元纳米聚焦结构的制备方法，包括下列步骤:
[0009]I)在透光的衬底上涂敷光刻胶；
[0010]2)对所述步骤I)的光刻胶，利用激光直写设备，使激光直写体像素沿着一螺旋上升轨迹进行扫描曝光，所述螺旋上升轨迹的螺圈逐渐缩小，并且所述螺旋上升轨迹中上下相邻的螺圈的激光直写体像素互相交叠；
[0011]3)对完成所述激光直写扫描曝光的光刻胶进行显影、定影，得到与步骤2)中的曝光区形状一致的三维结构体；
[0012]4)在所述步骤3)得到的三维结构体表面制备金属层。
[0013]其中，所述步骤2)中，所述螺旋上升轨迹的螺圈逐渐缩小直至趋近于一个顶点。
[0014]其中，所述步骤2)中，所述激光直写体像素沿着所述螺旋上升轨迹均匀连续地进行扫描，直至所述顶点。
[0015]其中，所述步骤2)中，在所述螺旋上升轨迹靠近所述顶点处的一段长度小于一个螺圈的曝光盲区中，停止所述激光直写体像素对光刻胶的曝光，除此之外，使所述激光直写体像素沿着所述螺旋上升轨迹进行均匀连续地扫描，扫描完成后形成表面带有螺旋波纹且靠近顶端处具有带状缝隙的中空锥形曝光区。
[0016]其中，所述步骤2)中，所述曝光区的形状大致为中空的圆锥形。
[0017]其中，所述步骤2)中，所述曝光区的形状大致为中空的金字塔形。
[0018]其中,所述步骤4)中,采用Au或Ag制备所述金属层。
[0019]其中，所述步骤2)中，所述中空锥形曝光区的表面的螺旋波纹的间距与所述三维等离激元纳米聚焦结构所要传播的光的波长匹配。
[0020]其中，所述步骤2)中，所述中空锥形曝光区的锥形高度和锥形半径的比值，与所述三维等离激元纳米聚焦结构所要传播的光的波长匹配。
[0021]其中，所述步骤2)中，所述激光直写设备为双光子三维纳米加工系统，所述激光直写体像素的形状大致为椭球形，通过精确控制所述双光子三维纳米加工系统的压电陶瓷台与X-Y样品台的位移，使所述激光直写体像素沿着所述螺旋上升轨迹对光刻胶进行扫描曝光。
[0022]其中，所述步骤2)中，在所述双光子三维纳米加工系统中设定激光直写体像素的横向尺寸Vx和纵向高度尺寸Vz，使得所述螺旋上升轨迹中上下相邻的螺圈的激光直写体像素互相交叠。
[0023]与现有技术相比，本发明具有下列技术效果:
[0024]1、本发明能够以易于实现的工艺，可重复地制作三维等离激元光学聚焦结构，并且所制备的三维等离激元光学聚焦结构能够使聚焦光斑达到亚波长甚至纳米尺度，且具有更好的可调制性。
[0025]2、本发明的三维等离激元光学聚焦结构的制备方法耗时少，且成品率高。
[0026]3、本发明的灵活性高，可设计性高，易于根据需要制备出适配各种不同波长的三维等离激元光学聚焦结构。
[0027]4、本发明所制备的三维等离激元光学聚焦结构具有极高的光能透过率。
[0028]5、本发明所制备的三维等离激元光学聚焦结构能够彻底消除等离激元在表面传播存在的相消干涉，获得对入射光偏振方向不敏感的三维等离激元聚焦，使实际应用中对光的偏振与光路的对准问题获得解决，可获得更丰富的量子物理特性。
【附图说明】
[0029]以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中:
[0030]图1示出了本发明一个实施例中在衬底上敷涂光刻胶的示意图；
[0031]图2示出了本发明一个实施例中对光刻胶进行曝光的示意图；
[0032]图3示出了本发明一个实施例中的曝光区的形状的示意图；
[0033]图4示出了本发明一个实施例中的螺旋上升轨迹的示意图；
[0034]图5示出了本发明一个实施例