泄露等离激元模式的多维度表征方法及装置与流程

本发明涉及微纳测量领域，尤其涉及一种基于油浸傅里叶角分辨成像与光谱技术对泄露等离激元模式的多维度表征方法及装置。

背景技术：

1、随着微纳加工工艺的进步，通过光电器件的小型化与集成化提高器件性能、降低功耗和成本，是未来光电子产业不可避免的发展趋势，具有重要研究意义。但是随着摩尔定律的失效，以介电材料的集成化平台将面临严重的发展瓶颈，特别是在光芯片领域，寻找有望长足发展的研发平台显得至关重要。

2、表面等离激元是金属中的自由电子与入射光场耦合形成的集体振荡波，相比于介电结构，其最大的优势就是能够突破光学衍射极限，进而实现光电元器件前所未有的高度集成及性能提升。与此同时，由于表面等离激元强大的光场束缚能力，在纳米甚至皮米范围内能够提供巨大的电磁场近场增强，有助于显著提高光与物质之间的相互作用。基于其以上优势特性，等离激元光子学已经广泛应用于微纳光源、生物医疗与成像、传感与探测等领域中，并取得诸多长足的发展。

3、作为表面等离激元集成光器件的重要组成单元，金属纳米线波导由于其模式简单已经被广泛的研究，特别是贵金属银等离激元波导，得益于其较低的传输损耗、易制备、单晶性好等优势，因此常作为研究金属等离激元波导光学性质的典范。

4、众所周知，银纳米线波导的传输模式依赖于周围介电环境和波导直径，例如通过改变银纳米线波导的直径，能够控制等离激元波导的电磁场模式阶数和模式数目，而改变波导周围的介电常数时，可以调控等离激元的模式色散。

5、需要强调的是，表面等离激元波导的色散关系是研究其模式光学性质的重要手段之一，能够为等离激元波导在设计光与物质相互作用、优化光电器件性能、构筑光集成芯片等应用方面提供重要的理论和实验参考。

6、但目前关于一维等离激元波导的色散及相关性质研究已有较多理论工作，实验成果相对少些，特别是泄露模式等离激元的色散测量，尚缺少快速的表征手段，以往的实验测量依赖于傅里叶成像和单频率扫描技术，操作耗时且有诸多不便。

技术实现思路

1、本发明主要目的结构简单、测量快捷的基于油浸傅里叶角分辨成像与光谱技术对泄露等离激元模式的多维度表征方法及装置。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、提供一种泄露等离激元模式的多维度表征方法，包括以下步骤：

4、在洁净的盖玻片上旋涂含有银纳米线的溶液，得到均匀分立的单个等离激元波导，利用白光从波导端头激发等离激元模式；

5、通过油浸物镜进行激发和收集均匀分立的单个等离激元波导的信号；

6、信号经油浸物镜和透镜汇聚后形成银纳米线的实空间成像，利用可调节位置和大小的第一狭缝对实空间成像进行选区，提取待研究信号；

7、在第一狭缝后的动量空间成像位置，利用可调位置和大小的第二狭缝对特定传输方向的动量空间信号继续进行选区分析；

8、利用4f光学系统对通过第二狭缝的动量空间信号进行放大并投射到光栅光谱仪中进行色散分析；

9、反射镜可翻转且置于4f光学系统前，通过该反射镜将透镜的信号偏转90度反射到另一透镜，并汇聚到成像相机上，通过移动成像相机位置实现实空间成像和动量空间傅里叶成像的切换。

10、翻转反射镜，第二狭缝的信号直接通过4f光学系统，并通过光谱仪进行角分辨光谱测试；

11、对实空间成像、动量空间傅里叶成像及光谱进行分析，得到泄露等离激元模式的多维度表征。

12、接上述技术方案，盖玻片厚度小于0.2mm。

13、接上述技术方案，成像相机放置在可快速移动的位移台上。

14、接上述技术方案，将卤素灯光源出来的光准直并经过油浸物镜汇聚至银纳米线波导端头，通过线偏振器调控激发光的偏振方向与纳米波导平行以提高等离激元的激发效率。

15、接上述技术方案，利用可调第一狭缝选出传播的泄露等离激元信号，以减少原位的激发背景光以及波导另一端头散射出的背景光对实验结果的影响。

16、本发明还提供一种泄露等离激元模式的多维度表征装置，包括：

17、白光光源；

18、盖玻片，其上旋涂含有银纳米线的溶液，得到均匀分立的单个等离激元波导，利用白光从波导端头激发等离激元模式；

19、油浸物镜，用于激发和收集均匀分立的单个等离激元波导的信号；

20、透镜一，置于油浸物镜后，用于银纳米线的实空间成像；

21、第一狭缝，可调节位置和大小，用于对实空间成像进行选区，提取待研究信号；

22、第二狭缝，可调位置和大小，置于第一狭缝后的动量空间成像位置，用于对特定传输方向的动量空间信号继续进行选区分析；

23、4f光学系统，用于对通过第二狭缝的动量空间信号进行放大并投射到光栅光谱仪中进行色散分析；

24、傅里叶-实空间成像系统，包括透镜二和反射镜，反射镜可翻转且置于4f光学系统前，通过该反射镜将透镜一的信号偏转90度反射到透镜二，并汇聚到成像相机上，通过移动成像相机位置实现实空间成像和动量空间傅里叶成像的切换；反射镜翻转时，第二狭缝的信号直接通过4f光学系统进入光谱仪，以进行角分辨光谱测试。

25、接上述技术方案，白光光源为卤素灯。

26、接上述技术方案，该装置还包括线偏振器，用于调控激发光的偏振方向与纳米波导平行以提高等离激元的激发效率。

27、接上述技术方案，该装置还包括可快速移动的位移台，其上放置成像相机。

28、接上述技术方案，4f光学系统包括两个透镜。

29、本发明产生的有益效果是：本发明基于油浸物镜提供了对光锥外光信息进行偏振分析、实空间成像、动量空间成像、模式色散测量等多维度的光谱学表征技术，成功实现了对泄露等离激元模式的全方位光谱测量。

30、此外，本发明中成像相机放置于可快速移动的导轨台上，能够快速切换实空间成想与傅里叶成像，减少实验装置的冗杂度，使得设备更集成高效。

技术特征：

1.一种泄露等离激元模式的多维度表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的泄露等离激元模式的多维度表征方法，其特征在于，盖玻片厚度小于0.2mm。

3.根据权利要求1所述的泄露等离激元模式的多维度表征方法，其特征在于，成像相机放置在可快速移动的位移台上。

4.根据权利要求1所述的泄露等离激元模式的多维度表征方法，其特征在于，将卤素灯光源出来的光准直并经过油浸物镜汇聚至银纳米线波导端头，通过线偏振器调控激发光的偏振方向与纳米波导平行以提高等离激元的激发效率。

5.根据权利要求1所述的泄露等离激元模式的多维度表征方法，其特征在于，利用可调第一狭缝选出传播的泄露等离激元信号，以减少原位的激发背景光以及波导另一端头散射出的背景光对实验结果的影响。

6.一种泄露等离激元模式的多维度表征装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的泄露等离激元模式的多维度表征装置，其特征在于，白光光源为卤素灯。

8.根据权利要求7所述的泄露等离激元模式的多维度表征装置，其特征在于，该装置还包括线偏振器，用于调控激发光的偏振方向与纳米波导平行以提高等离激元的激发效率。

9.根据权利要求6所述的泄露等离激元模式的多维度表征装置，其特征在于，该装置还包括可快速移动的位移台，其上放置成像相机。

10.根据权利要求6所述的泄露等离激元模式的多维度表征装置，其特征在于，4f光学系统包括两个透镜。

技术总结
本发明公开了一种泄露等离激元模式的多维度表征方法及装置，在盖玻片上旋涂具有银纳米线等离激元波导的溶液，利用油浸物镜汇聚连续白光实现等离激元波导泄露模式的激发和收集，基于自行搭建的兼具动量空间与实空间选区分析能力的显微角度分辨光谱仪，联合泄露模式显微镜实现一维等离激元波导的动量与能量同时分辨，以获取波导的泄露模式的动量空间分布、偏振、色散关系等信息。本发明为一维等离激元波导及其他类似微纳结构体系的光谱学性质研究提供了普适、便捷的方案。

技术研发人员：郭全兵,张顺平,徐红星,唐继博,张京,代伟
受保护的技术使用者：武汉量子技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15