一种表面等离子体激元增强针尖及针尖增强方法
【专利摘要】本发明涉及一种表面等离子体激元增强针尖，所述增强针尖包括：（1）透明衬底：用于光线入射；（2）金属薄膜：设置于透明衬底的一侧，在所述金属薄膜上开有螺旋结构的狭缝；（3）金属针尖：包括金属针尖的尖部和根部，根部连接金属薄膜，且位于螺旋结构的中心。本发明提供的增强针尖的针尖增强效果好，能够实现3个数量级的针尖增强；可实现0.03λ0的分辨率，增强深度达到50nm；大大提高了信噪比和灵敏度；操作方便简单，易于形成大面积针尖阵列，提高扫描速度。
【专利说明】一种表面等离子体激元增强针尖及针尖增强方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面等离子体激元激发结构，属于近场光学增强【技术领域】，具体地说，本发明涉及一种表面等离子体激元增强针尖、增强针尖组件及针尖增强方法，尤其涉及一种带有螺旋结构的表面等离子体激元增强针尖、增强针尖组件及针尖增强方法。
【背景技术】
[0002]随着近场光学和纳米技术的发展，对超分辨检测精度提出了越来越高的要求。探针技术的发展为这一问题的解决提供了有效手段。然而，探针的尺寸与检测强度存在着天生的矛盾，在一定程度上阻碍了探针技术的发展。近年来，探针针尖增强技术快速发展，为解决所述问题提供了新的思路。
[0003]近场针尖增强是通过表面等离子体激元相互作用来实现的。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是指存在于金属表面的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波。SPPs的特点是局域在金属表面，沿金属法向电磁场指数衰减，且只能沿金属切向传播，具有场增强和亚波长约束等特性。通过改变金属表面结构，SPPs的性质以及其和电磁波相互作用的性质可以得到有效的调节。SPPs为发展新型光子器件、纳米光刻、新型光学传感器和近场增强聚焦与成像等测量技术提供了可能。
[0004]一般的针尖增强技术是用一束光直接照射在针尖的头部来实现，但是这种针尖的信噪比不理想。2007年以来，利用SPPs在金属表面传播特性，C.Ropers等人提出了基于光栅结构的增强针尖，利用线偏振光照射针尖侧面刻上光栅结构，实现了针尖处的高信噪比(Crating-coupling of surface plasmons onto metallic tips:a nanoconfined lightsource, C.Ropers et., Nano Letters, 2007，Vol.7，N0.9:2784-2788)。但是此类针尖由于需要很小的入射光学斑点以及精确的光斑定位，并且针尖长度太长，SPPs衰减明显，难以形成快速扫描的阵列结构，给实际使用带来了很大困难。
[0005]综上所述，目前迫切需要一种高增强、易操作，便于实现大面积阵列扫描，提高扫描速度的近场光学增强针尖。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种增强针尖，所述增强针尖具有SPPs的高增强效果，且易于操作，无需精确限定入射光的位置，更不用将入射光调整为小光斑。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0008]一种表面等离子体激元增强针尖，所述增强针尖包括:
[0009](I)透明衬底:用于光线入射；
[0010](2)金属薄膜:设置于透明衬底的一侧，在所述金属薄膜上开有螺旋结构的狭缝；
[0011](3)金属针尖:包括针尖的尖部和根部，根部连接金属薄膜，且位于螺旋结构的中心。[0012]优选地，所述螺旋结构为左旋螺旋结构或右旋螺旋结构；
[0013]进一步优选地，所述螺旋结构满足如下条件:
【权利要求】
1.一种表面等离子体激元增强针尖，其特征在于，所述增强针尖包括: (1)透明衬底:用于光线入射； (2)金属薄膜:设置于透明衬底的一侧，在所述金属薄膜上开有螺旋结构的狭缝； (3)金属针尖:包括金属针尖的尖部和根部，根部连接金属薄膜，且位于螺旋结构的中心。
2.如权利要求1所述的增强针尖，其特征在于，所述螺旋结构为左旋螺旋结构或右旋螺旋结构； 优选地，所述螺旋结构满足如下条件: rη(Φ) =rη0+(Φ2 31 )kA sp,
rn0 = r10+(n-l) λ sp，
O^ Φ ^ 2 Ji , k = 1,2, 3...，n = 1，2，3...； 其中，rη(Φ)为极坐标系中第n圈螺旋结构在相位为Φ处距离螺旋中心的长度；1^为第η圈螺旋结构中距离中心的最小距离；λ sp为所述表面等离子体激元的波长。
3.如权利要求1所述的增强针尖，其特征在于，所述狭缝的缝宽为50~400nm。
4.如权利要求1所述的增强针尖，其特征在于，所述螺旋结构的圈数为I~10圈； 优选地，所述螺旋结构的第一圈距离螺旋中心的最小长度为550nm~10 μ m ; 优选地，所述螺旋结构的螺距为360~740nm。
5.如权利要求1所述的增强针尖，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为100~500nm； 优选地，所述金属薄膜的材料为金或银。
6.如权利要求1所述的增强针尖，其特征在于，所述金属针尖的长度为I~2μπι; 优选地,所述金属针尖的张角为20~40° ; 优选地，所述金属针尖曲率半径为I~40nm ； 优选地，所述金属针尖的材料为金或银。
7.如权利要求1所述的增强针尖，其特征在于，所述衬底材料的透光率>91% ； 优选地，所述衬底材料选自石英玻璃或普通玻璃中的任意I种； 优选地，所述衬底材料为厚度0.5mm的石英玻璃。
8.一种表面等离子体激元增强针尖组件，其特征在于，所述增强针尖组件包括至少两个权利要求1~7之一所述的增强针尖； 优选地，所述增强针尖组件中，增强针尖的透明衬底位于同一平面内； 进一步优选地，所述增强针尖组件中，增强针尖的透明衬底位于同一平面内，且阵列排列。
9.一种针尖增强的方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1~7之一所述的表面等离子体激元增强针尖，或权利要求8所述表面等离子体激元增强针尖组件，所述方法包括如下步骤: (1)生成旋转方向与所述表面等离子体激元增强针尖螺旋结构旋转方向相反的圆偏振光; (2)将步骤(1)得到的圆偏振光从透明衬底入射，经过螺旋结构的狭缝产生表面等离子体激元，所述表面等离子体激元沿金属表面传播至增强针尖，并在增强针尖的尖部得到增强的近场聚焦光场。
10.如权利 要求9所述的方法，其特征在于，所述圆偏振光的波长为380~760nm。
【文档编号】G02B5/00GK103837709SQ201410075679
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】陈东学, 苗俊杰, 刘前 申请人:国家纳米科学中心