一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件的制作方法

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(surfaceplasmonpolaritons，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，weibinchen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jixu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。

技术实现要素：

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。

优选地，所述第一层结构、第二层结构、第三层结构的介质层的折射率是逐渐减小的，即n1＞n2＞n3，高折射率介质的折射率n1为3.455，低折射率介质的折射率n2为1.445，更低折射率的低折射率介质的折射率n3为1.224。

优选地，所述第四层结构为贵金属层，其中所述贵金属为金或银。

优选地，所述场局域增强器件为柱对称锥形结构，所述高折射率介质层圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质层，所述h1为50nm；所述低折射率介质层圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的更低折射率的低折射率介质层，所述h2为50nm；所述更低折射率的低折射率介质层圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h3的贵金属层，所述h3为45nm，整个介质圆锥底面半径为r1+h2secθ+h3secθ，r1为第二层层圆锥底半径大小，所述r1为1000nm，圆锥半锥角为θ，所述圆锥半锥角θ为15°。

优选地，所述场局域增强器件内高折射率介质层圆锥的顶部曲率半径为r2，所述r2为35nm；覆盖其上的低折射率介质层圆锥顶部曲率半径为r3，所述r3为35nm；覆盖其上的更低折射率的低折射率介质层圆锥顶部曲率半径为r4，所述r4为5nm；涂覆在最外层的金属层的顶点处曲率半径为r5，所述r5为5nm。

优选地，在可见光至近红外波段，该场局域增强器件在径向偏振光或线偏振光的偏振模式下从锥底以r1为半径的圆锥底垂直入射进入，在尖端区域产生很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点处电场局域增强倍数达到最大，所述电场最大值为1824倍。

本发明技术方案的优点主要体现在：本发明结构简单易设计，材料获取容易，制备易实现，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。

当光从圆锥底端垂直进入结构时，在该结构中光在各层的界面处可以更好地激发出spps，有效地降低损耗，使得更多的光能向顶端传播，并在尖端汇集，实现了更强的聚焦性能。该圆锥形场局域增强器件，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诸多技术领域具有十分重要的应用。

附图说明

图1为本发明的一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件结构的剖面示意图。

图2为本发明的一种折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件结构的a部分放大示意图。

图3为本发明的实施例以为r1半径、波长λ＝632.8nm的径向偏振光照射图1的圆锥底的情况下的场局域增强器件尖端电场模|e|分布图，入射电场振幅大小为1v/m。

图4为本发明的实施例波长λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的场局域增强器件顶点处的电场模|e|分布放大图。

图5为发明的实例与三层结构模型的场局域增强器件距离锥底3400nm距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线。

图6为发明的实例与三层结构模型的场局域增强器件距离锥底2400nm距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线。

图7为发明的实例与三层结构模型的场局域增强器件距离锥底1400nm距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线。

图8为本发明的实施例四层圆锥形场局域增强器件距离锥顶不同距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶距离为0nm、5nm和10nm。

图9为三层高折射率介质-低折射率介质-金属的三层圆锥形场局域增强器件距离锥顶不同距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶距离为0nm、5nm和10nm。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

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，该场局域增强器件可在纳米尺度上能量局域汇聚放大，在有限的空间尺度场局域增强，具体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。

如图1所示，该场局域增强器件包括四层结构，即第一层结构1、第二层结构2、第三层结构3和第四层结构4，所述第一层结构1、第二层结构2和第三层结构3、第四层结构4由内向外逐层构成一同轴圆锥形结构，且第一、二、三层介质结构的折射率是逐渐减小的，图1中的a部分为高折射率介质层、低折射率介质层、更低折射率的低折射率介质层和金属层圆锥锥面的部分放大图。

具体地，所述第一层结构为高折射率介质层，所述高折射率介质层，其折射率为n1，所述第二层结构为低折射率介质层，所述低折射率介质层，其折射率为n2，所述第三层结构为更低折射率的低折射率介质层，其折射率为n3，所述第四层结构为贵金属，所述三层折射率介质层折射率符合：n1＞n2＞n3，在本技术方案中，所述n1优选为3.455，所述n2优选为1.445，所述n3优选为1.224，所述贵金属优选为银。

所述局域增强器件为柱对称锥形结构，如图2所示，所述高折射率介质层圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h1的低折射率介质层，所述低折射率介质层圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h2的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圆锥的锥面上均匀地覆盖了一层厚度为h3的银层，所述整个介质圆锥底面半径为r1+h2secθ+h3secθ，所述圆锥半锥角为θ，在本技术方案中，厚度h1优选为50nm，厚度h2优选为50nm，厚度h3优选为45nm，所述r1优选为1000nm，所述θ优选为15°。

由于柱对称的结构，支持的偏振模式更多，无论是线偏振光还是径向偏振光都支持，在本技术方案中，优选为径向偏振光。在可见光至近红外波段，所述可见光的波长范围为380～780nm，所述近红外的波长范围为780～3000nm。该场局域增强器件在径向偏振光的偏振模式下光从锥底垂直入射进入，在尖端区域产生很强的电场增强效应，在圆锥结构顶点电场局域增强倍数达到最大，所述电场最大值为1824倍。

所述场局域增强器件内高折射率介质层顶部半径为r2，覆盖其上的低折射率介质层圆锥顶部曲率半径为r3，再覆盖其上的更低的低折射率介质层圆锥顶部曲率半径为r4，涂覆在最外层银层的顶点处曲率半径为r5，在本技术方案中，所述r2优选为35nm，所述r3优选为35nm，所述优选r4为5nm，所述优选r5为5nm。所述高折射率介质层圆锥顶部曲率半径r2等于低折射率介质层圆锥顶部曲率半径r3，所述更低的低折射率介质层圆锥顶部曲率半径r4等于银层的顶点处曲率半径r5，所述低折射率介质层圆锥顶部曲率半径r3大于更低折射率的低折射率介质层圆锥顶部曲率半径r4。

该圆锥形聚焦器件可根据工作波长选择能产生表面等离激元的贵金属材料，如金或银等，结合介质层逐渐减小的特性进行结构参数设计，可显著地降低结构内部的损耗。当同样的光从圆锥底端垂直进入结构时，该结构能够有效地降低损耗，使得更多的光能向顶端传播，并在尖端汇集，实现了更强的聚焦性能。

图3是波长为λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的场局域增强器件尖端电场模|e|分布图，入射电场振幅大小为1v/m。使用全矢量有限元方法对本实施例进行仿真，由图3可见，在尖端汇集并且在圆锥顶点有很强的电场增强效应，实现了强局域增强性能，图3中的b代表波长为λ＝632.8nm的径向偏振光照射情况下的场局域增强器件顶点处的电场模|e|的分布放大图，该场局域增强器件顶点处的电场模|e|的分布放大图如图4所示。

图5是三层模型与四层模型圆锥形场局域器件距离锥底3400nm距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线。图中，横轴为径向坐标，纵轴为电场模|e|。图6是三层模型与四层模型圆锥形场局域器件距离锥底2400nm距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线。图7是三层模型与四层模型圆锥形场局域器件距离锥底1400nm距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线。

由图5、图6和图7的c、d和e部分可以看出折射率逐渐减小的四层圆锥形场局域增强器件中更低折射率的低射率介质层的场强比低折射率介质层场强更弱，但是比三层的圆锥形场局域增强器件低射率中的场强更强，可以发现四层圆锥形场局域增强器件具有更低损耗的特性。

图8是四层圆锥形场局域增强器件距离锥顶不同距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线，具体分别为紧贴锥顶，即距离为0nm、5nm和10nm，图中横轴为径向坐标，纵轴为电场模|e|。由图8可见，当波长为λ＝632.8nm的径向偏振光从锥底垂直进入结构时，该结构能够有效地降低损耗，使得更多的光能向顶端传播，在顶端汇集并且在圆锥顶点有很强的电场增强效应，在圆锥顶点处有电场，局域增强倍数达到最大，所述电场最大值为1824倍，实现了更强的场局域增强效应，并且具有器件集成度高的优势。

在可见光至近红外波段，该四层圆锥形聚焦器件在径向偏振光下从以r1的圆锥底垂直入射。本技术方案中，所述波长优选为632.8nm，当然所述波长还可为其它数值，本技术方案不对所述波长的具体数值做具体地限定，对于波长为λ＝632.8nm的径向偏振光下，ag的相对介电常数取为-15.8779-1.0765i。

图9是用于对比的现有技术中高折射率介质-低折射率介质-金属的三层圆锥形聚焦器件尖端距离锥顶不同距离处的电场模|e|沿径向的分布曲线，分别为紧贴锥顶，即距离为0nm、5nm和10nm。由图9可见，当波长为λ＝632.8nm的径向偏振光从锥底垂直进入结构时，三层圆锥形聚焦器件的顶点处也有电场局域增强效应，约为558倍，但不及四层情况下基于混合等离激元波导的圆锥形聚焦器件尖端电场增强效果的1/3。

综上可知，从图7和图8可以比较明显地看出，利用四层的柱对称锥形结构代替现有技术中原有的三层结构和两层结构，当一样的光从以r1为半径的圆锥底端垂直进入结构时，能够有效地降低损耗，使得更多的光能向顶端传播并在顶端汇集，在有限的空间尺度、场空间局域增强实现了更强的聚焦性能，此结构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诸多技术领域具有十分重要的意义。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。