微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场耦合模拟方法与流程

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场耦合模拟方法。

背景技术：

纳米聚焦，即将光能有效地传递和集中到纳米尺度，成为现代纳米光子学和纳米光学中的一个重要课题,将光转化为表面等离子体极化子(spps)被认为是实现这一目标的最有希望的方法之一。典型的等离子体纳米聚焦是用锥形波导实现的。这种锥形波导可分为两类：绝缘体金属绝缘体(imi)结构，如锥形金属棒、纳米棒、金属薄膜锥和纳米边缘用于慢表面等离子体(ssp)纳米聚焦；mim结构，如锥形场线，锥形间隙，锥形v-沟槽，用于间隙表面等离子体(gsps:gapsurfaceplasmons)纳米聚焦。与锥形imi结构相比，锥形mim结构具有较高的场增强(fe)能力，可以增强纳米尺度的受限光斑，不受外界背景的影响。

作为孔径近场扫描光学显微镜(nsom：near-fieldscanningopticalmicroscopy)探针。有效地将电磁辐射耦合到锥形等离子体波导中是实现等离子体纳米聚焦的关键。大比例尺输入口的spp激励进入纳米区域后，在理论上会产生极高的fe值。然而，对于锥形mim结构，gsp通常是由最低阶传输模式(tm0)激发的，使用的是“fire-end”耦合方法。为了减小反射和散射损耗，锥形mim结构的锥度角和输入入口的尺寸一般都小于临界锥角(通常小于10度)，以满足绝热条件。

其存在如下问题：

1、与常用的大锥角(通常在30-120度之间)铝包层中空锥形金属波导(atmw:aperturetaperedmetallicwaveguide)相比，小锥角锥形金属波导间隙(tmwg：taperedmetallicwaveguidegap)不够坚固和耐用；

2、tmwg通常以贵金属(金或银)为材料，其金属壁须远厚过铝包层才能阻止光场泄露(因贵金属的穿透深度远大于铝)；

3、tmwg通常采用“fire-end”法直接利用最低阶传输(tm0)模耦合激发spps，为降低金属吸收和反射损耗，提高gsps激发效率，入射端口尺寸一般不能大于一个光波长，从而增大了入射光场的耦合难度并限制了光场功率密度的提高；

4、孔径处获得的传输光场源自atmw中光场最低阶传输(tm0)模截止及其隐失场衰减辐射，耦合效率会随孔径尺寸减小急剧降低。因此，采用atmw隐失衰减法通常只能获取较低功率密度的低噪声亚波长量级传输光场，这极大地限制了atmw在超高分辨近场成像、超高密度存储、纳米光刻以及局域非线性等研究领域的应用推广。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于提供一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场模拟耦合方法，能够在大锥角和大入射端口下提高光场耦合效率。

本发明实施例提供了一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构，包括：三维空心锥形金属波导以及介电微球体；其中，所述介电微球体设置在所述三维空心锥形金属波导内，并与所述三维空心锥形金属波导的内壁相切；所述三维空心锥形金属波导的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角。

优选地，所述三维空心锥形金属波导的包层材料为铝材料。

优选地，所述三维空心锥形金属波导的锥角端形成有开口，所述开口的孔径宽度为200nm。

优选地，所述三维空心锥形金属波导的金属壁的厚度为200nm；入口宽度为4.8um；锥角为60°。

优选地，所述介电微球体的半径为960nm。

优选地，在不考虑色散的情况下，所述介电微球体的介电常数为2.2。

优选地，所述介电微球体通过嵌入方式固定在所述三维空心锥形金属波导内。

本发明实施例还提供了一种基于上述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构进行光场模拟耦合的方法，包括：

将波长λ＝500nm的线性tm偏振高斯光束作为入射光入射至位于微球体耦合的三维锥形金属波导结构前的凸透镜；其中，所述凸透镜的焦点位于三维空心锥形金属波导的入口；

采用时域有限差分数值模型模拟在三维空心锥形金属波导内的光学演化；其中，时域有限差分数值模型的网格单元设为δx＝δy＝δz＝λ/25＝20nm，且截断采用各向异性完全匹配层吸收边界条件；

采用drude-lorentz模型描述铝的介电常数与入射波长的关系；其中，空气和铝的介电常数分别为ε2＝1、εal＝-34.2+9.0i；

根据光学演化过程计算获得入射光与三维空心锥形金属波导的光场耦合效率；其中，当三维空心锥形金属波导的间隙大于预定值时，激发态spp沿壁向前传播，当间隙变窄时，在锥顶端区逐渐耦合到gsp中；当三维空心锥形金属波导的间隙距离小于预定值时，大部分gsp被孔径边缘反射回来，并沿内壁返回到spps中，正向spp和后向gsp波叠加构成强驻波。

优选地，所述入射光的半高宽为9mm，光阑直径9mm，聚焦孔径fl的数值孔径na为0.65。

上述一个实施例中，针对贵金属tmwg金属壁厚、锥角小、入射端口小、直接利用最低阶传输tm0模耦合激发和传输gsps效率低等众多弊端，创新性提出在大锥角(非绝热条件)、大入射端口的三维空心锥形金属波导内壁嵌入介电微球体来构建光学共振腔，并结合波导结构优化设计，利用高阶传输模耦合共振激发和有效传输压缩gsps。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微球体耦合的三维锥形金属波导结构的二维截面示意图。

图2为本实施例的微球体耦合的三维锥形金属波导结构光场耦合效率图。

图3为未设置介电微球体耦合的三维空心锥形金属波导的二维截面图。

图4为本实施例的微球体耦合的三维锥形金属波导结构的二维截面图。

图5(a)为未设置介电微球体耦合的三维锥形金属波导结构的场增强效果图。

图5(b)为本实施例的微球体耦合的三维锥形金属波导结构的场增强效果图。

图6是本发明实施例提供的光场耦合模拟方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构，包括：三维空心锥形金属波导10以及介电微球体20；其中，所述介电微球体20设置在所述三维空心锥形金属波导10内，并与所述三维空心锥形金属波导10的内壁相切；所述三维空心锥形金属波导10的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角。

具体地，在本实施例中，所述三维空心锥形金属波导10的包层材料为铝材料。其中，铝是近场扫描光学显微镜中常用防止光学泄漏的一种材料，且包层的厚度比贵金属层(通常为金或者银)的厚度小。

在本实施例中，所述三维空心锥形金属波导10的锥角端形成有开口11，所述开口11的孔径宽度do为200nm。当然，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可根据实际需要微调孔径宽度do，这些方案均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，所述三维空心锥形金属波导10的金属壁的厚度为200nm；入口宽度di为4.8um；锥角为60°。

其中，锥角为60度，远远大于满足绝热条件所需的临界锥角(通常为10度)。

当然，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可根据实际需要微调或者调整金属壁的厚度、入口宽度di以及锥角等参数，这些方案均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，所述介电微球体20的半径优选为960nm。

在本实施例中，在不考虑色散的情况下，所述介电微球体20的介电常数为2.2。

在本实施例中，所述介电微球体20可通过嵌入方式固定在所述三维空心锥形金属波导10内。

当然，还可以通过其他方式固定在所述三维空心锥形金属波导10内，只需保证介电微球体20与三维空心锥形金属波导10的内壁相切即可，对于所述介电微球体20的固定方式，本发明不做具体限定。

其中，本实施例的微球体耦合的三维锥形金属波导结构光场耦合效率图可参见图2。

以下以未设置介电微球体20的三维空心锥形金属波导10以及本发明实施例提供的微球体耦合的三维锥形金属波导结构的光场传输模拟过程来说明本发明的应用效果。

如图3所示，图3为未设置介电微球体20的三维空心锥形金属波导10的的二维截面图。其中，包层材料为铝，其金属厚度、入口宽度di、孔径宽度do和锥度角分别为200nm、4.8um、200nm和60°。入射光选取为λ＝500nm的线性tm偏振高斯光束，半高宽为9mm，光阑(ad)直径9mm，聚焦孔径fl的数值孔径na为0.65。在模拟过程中，假定凸透镜30的焦点恰好位于三维空心锥形金属波导10的入口处，本实施例采用时域有限差分(fdtd)数值模型来模拟三维高温导薄膜中的光学演化。其中，网格单元设为δx＝δy＝δz＝λ/25＝20nm，用于精确描述纳米波导结构。fdtd的截断采用各向异性完全匹配层吸收边界条件。采用drude-lorentz模型来描述铝的介电常数与入射波长的关系，空气和铝的介电常数分别为ε2＝1、εal＝-34.2+9.0i。由于非绝热条件的影响，大部分光能被金属壁反射和吸收，孔径处获得的传输光场源自atmw中光场最低阶传输(tm0)模截止及其隐失场衰减辐射，耦合效率会随孔径尺寸减小急剧降低。因此，如图5(a)所示，普惠制激发接近顶点的情况并不明显，这种gsp激发，属于通常的端焦耦合方法激发。

图4为本实施例的微球体耦合的三维锥形金属波导的传输原理图。为了控制变量，与图3相比，本实施例处了增加介电微球体20外，其他各项参数均与上述相同。介电微球体20与三维空心锥形金属波导10的内壁相切，且其半径为960nm。本实施例同样用时域有限差分(fdtd)数值模型模拟了三维高温导薄膜中的光学演化。网格单元同样设为δx＝δy＝δz＝λ/25＝20nm。fdtd的截断采用各向异性完全匹配层吸收边界条件。采用drude-lorentz模型来描述铝的介电常数与入射波长的关系。介电微球体20、空气和铝的介电常数，分别为ε1＝2.2(不计色散)、ε2＝1、εal＝-34.2+9.0i。

在本实施例中，在增加了所述介电微球体20后，纯spp是由介电微球体20与三维空心锥形金属波导10的内壁中的间隙之间接触波附近的倏逝场引起的。当三维空心锥形金属波导10的间隙太大时，无法支持普惠制模式。此时，激发态spp沿壁向前传播，当间隙变窄时，在锥顶端区逐渐耦合到gsp中。当三维空心锥形金属波导10的间隙距离(即二维截面图中两条锥边之间的距离)足够小时，足以支持普惠制模式。此时，大部分gsp被孔径边缘反射回来，并沿内壁返回到spps中，正向和后向spp(gsp)波叠加构成强驻波，这与没有介电微球体20的情况相比，光场耦合效率提高了28.2倍，入射光tm为y方向偏振，则在x-z切面具有明显的场增强效果(如图5(b)所示)。在这种情况下，gsp激发主要来自于介电微球体20壁隙的近场耦合，这与端焦耦合完全不同。

以下更深入的了解gsp共振激发的物理原理。在接触点附近的介电微球体20与内壁间隙中存在的倏逝场呈现出比入射波的波矢量大的丰富的波场特征，因此spp的波矢量也是如此。spps很容易与倏逝场的波矢量本身相匹配，纯spps在靠近接触点的内壁上被初步激发。接触点和开口边缘上的锥角，构成法布里-珀罗(fabry-perot)型谐振器，因此spps(gsp)被多次反射共振激发和放大。谐振器spps(gsp)的激发，接触点与锥角之间的距离l必须符合驻波条件。在非绝热条件下，嵌入介电微球体20可以大大提高三维空心锥形金属波导10的场强。这不同于用通用的端焦耦合方法进行tm0模式激励。

综上所述，本实施例中，针对贵金属tmwg金属壁厚、锥角小、入射端口小、直接利用最低阶传输tm0模耦合激发和传输gsps效率低等众多弊端，创新性提出在大锥角(非绝热条件)、大入射端口的三维空心锥形金属波导10内壁嵌入介电微球体20来构建光学共振腔，并结合波导结构优化设计，利用高阶传输模耦合共振激发和有效传输压缩gsps。模拟结果证明，与没有介电微球体20的情况相比，光场耦合效率提高了28.2倍。

请参阅图6，本发明实施例还提供了一种基于上述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构进行光场模拟耦合的方法，包括：

s201，将波长λ＝500nm的线性tm偏振高斯光束作为入射光入射至位于微球体耦合的三维锥形金属波导结构前的凸透镜；其中，所述凸透镜的焦点位于三维空心锥形金属波导的入口；

s202，采用时域有限差分数值模型模拟在三维空心锥形金属波导内的光学演化；其中，时域有限差分数值模型的网格单元设为δx＝δy＝δz＝λ/25＝20nm，且截断采用各向异性完全匹配层吸收边界条件；

s203，采用drude-lorentz模型描述铝的介电常数与入射波长的关系；其中，空气和铝的介电常数分别为ε2＝1、εal＝-34.2+9.0i；

s204，根据光学演化过程计算获得入射光与三维空心锥形金属波导的光场耦合效率；其中，当三维空心锥形金属波导的间隙大于预定值时，激发态spp沿壁向前传播，当间隙变窄时，在锥顶端区逐渐耦合到gsp中；当三维空心锥形金属波导的间隙距离小于预定值时，大部分gsp被孔径边缘反射回来，并沿内壁返回到spps中，正向spp和后向gsp波叠加构成强驻波。

优选地，所述入射光的半高宽为9mm，光阑直径9mm，聚焦孔径fl的数值孔径na为0.65。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。