一種三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米技術(shù)和三維金屬表面結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，具體地說，本發(fā)明涉及一種三維等離激元納米聚焦結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體激元是一種光波與金屬中自由電子相互作用產(chǎn)生的電磁模式，它能突破衍射極限，實現(xiàn)亞波長級別甚至納米級別的光電回路的集成。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是在高端納米光學應(yīng)用領(lǐng)域，如高分辨近場光學成像、針尖增強拉曼光譜，光學集成器件，納米光刻、光學信息存儲以及生物傳感等領(lǐng)域，常常需要可聚焦光斑為納米量級的光學器件。然而，由于衍射極限的存在，限制了傳統(tǒng)光學技術(shù)的進一步發(fā)展。因此，如何在納米量級上實現(xiàn)光操控，以及突破衍射極限成為重要的研究方向。
[0003]由于衍射效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的聚焦光斑大小或者傳播光束的直徑一般局限于波長量級。雖然通過傳統(tǒng)的小孔光闌可得到亞波長的聚焦光斑，但通過小孔的光通量與小孔的半徑成正比，與入射波的波長成反比，光能損耗巨大。借助于金屬薄膜表面的周期性結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的表面等離激元(Surface plasmon polaritons, SPPs),可以將納米小孔的光能透過率提高兩個數(shù)量級以上，獲得奇異增強效應(yīng)。而通過錐形結(jié)構(gòu)，可以將光能透過率進一步提高，并獲得更小的光斑直徑。本文中，錐形泛指具有任何形狀底面的錐形，例如:圓錐形，金字塔狀錐形，以及底面為三角形，底面為五邊形、六邊形等各類多邊形的錐形。
[0004]目前，基于三維等離激元光學聚焦在理論和實驗上已有不少成果。例如，文獻“Plasmonic nanofocusing with a metallic pyramid and an integrated C-shapedaperture, Scientific Reports | 3:1857 | DO1: 10.1038/srep01857”公開了一種三維等離激兀光學聚焦結(jié)構(gòu)。其制備方法如下:通過硅襯底的各向異性濕法腐蝕，獲得倒金字塔結(jié)構(gòu)；然后通過金屬沉積，在金字塔結(jié)構(gòu)表面獲得金屬層；繼而對金字塔進行環(huán)氧樹脂的填充，通過剝離，將表面附有金屬層的環(huán)氧樹脂金字塔結(jié)構(gòu)與硅襯底分離，獲得環(huán)氧樹脂金字塔結(jié)構(gòu)金屬表面。進一步地，為克服對稱結(jié)構(gòu)表面等離激元傳播到頂端產(chǎn)生的相消干涉效應(yīng)，該方案通過聚焦離子束刻蝕，獲得了金字塔頂端具有開口與尖端的復(fù)合三維光學聚焦結(jié)構(gòu)。該方案能非常有效地提高光能透過率并獲得極小的光斑尺寸，然而其操作過程及其復(fù)雜、可擴展性差；同時在通過幾何結(jié)構(gòu)、尺寸與材料提高光增強光能透過率方面受到很大限制。
[0005]文獻“Plasmonic nanograting tip design for high power throughput near-fieldscanning aperture probe, Optic Expressl814004 (2010) ” 提出了一種更加優(yōu)化的三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)。該方案在S12金字塔狀錐形結(jié)構(gòu)表面蒸度Ag，然后通過聚焦離子刻蝕，在Ag表面定點加工納米微光柵結(jié)構(gòu)，從而提高Z-方向的光耦合傳播，并與在錐形結(jié)構(gòu)的頂端設(shè)計的光闌結(jié)合，實現(xiàn)了光波導(dǎo)模式傳播能量與等離激元能量的有效轉(zhuǎn)換，獲得更高的尖端場增強。這種方案理論上能有效地提高三維等離激元聚焦效果，然而，三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)十分微小，在這種微小結(jié)構(gòu)表面定點加工納米微光柵對加工精度要求極高，工藝難度極大，可重復(fù)性不高。
[0006]因此，當前迫切需要一種制作工藝難度較低、耗時少、成品率高且具有高靈活性的三維納米聚焦結(jié)構(gòu)的制備方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種制作工藝難度較低、耗時少、成品率高且具有高靈活性的三維納米聚焦結(jié)構(gòu)的制備方案。
[0008]本發(fā)明提供了一種三維等離激元納米聚焦結(jié)構(gòu)的制備方法，包括下列步驟:
[0009]I)在透光的襯底上涂敷光刻膠；
[0010]2)對所述步驟I)的光刻膠，利用激光直寫設(shè)備，使激光直寫體像素沿著一螺旋上升軌跡進行掃描曝光，所述螺旋上升軌跡的螺圈逐漸縮小，并且所述螺旋上升軌跡中上下相鄰的螺圈的激光直寫體像素互相交疊；
[0011]3)對完成所述激光直寫掃描曝光的光刻膠進行顯影、定影，得到與步驟2)中的曝光區(qū)形狀一致的三維結(jié)構(gòu)體；
[0012]4)在所述步驟3)得到的三維結(jié)構(gòu)體表面制備金屬層。
[0013]其中，所述步驟2)中，所述螺旋上升軌跡的螺圈逐漸縮小直至趨近于一個頂點。
[0014]其中，所述步驟2)中，所述激光直寫體像素沿著所述螺旋上升軌跡均勻連續(xù)地進行掃描，直至所述頂點。
[0015]其中，所述步驟2)中，在所述螺旋上升軌跡靠近所述頂點處的一段長度小于一個螺圈的曝光盲區(qū)中，停止所述激光直寫體像素對光刻膠的曝光，除此之外，使所述激光直寫體像素沿著所述螺旋上升軌跡進行均勻連續(xù)地掃描，掃描完成后形成表面帶有螺旋波紋且靠近頂端處具有帶狀縫隙的中空錐形曝光區(qū)。
[0016]其中，所述步驟2)中，所述曝光區(qū)的形狀大致為中空的圓錐形。
[0017]其中，所述步驟2)中，所述曝光區(qū)的形狀大致為中空的金字塔形。
[0018]其中,所述步驟4)中,采用Au或Ag制備所述金屬層。
[0019]其中，所述步驟2)中，所述中空錐形曝光區(qū)的表面的螺旋波紋的間距與所述三維等離激元納米聚焦結(jié)構(gòu)所要傳播的光的波長匹配。
[0020]其中，所述步驟2)中，所述中空錐形曝光區(qū)的錐形高度和錐形半徑的比值，與所述三維等離激元納米聚焦結(jié)構(gòu)所要傳播的光的波長匹配。
[0021]其中，所述步驟2)中，所述激光直寫設(shè)備為雙光子三維納米加工系統(tǒng)，所述激光直寫體像素的形狀大致為橢球形，通過精確控制所述雙光子三維納米加工系統(tǒng)的壓電陶瓷臺與X-Y樣品臺的位移，使所述激光直寫體像素沿著所述螺旋上升軌跡對光刻膠進行掃描曝光。
[0022]其中，所述步驟2)中，在所述雙光子三維納米加工系統(tǒng)中設(shè)定激光直寫體像素的橫向尺寸Vx和縱向高度尺寸Vz，使得所述螺旋上升軌跡中上下相鄰的螺圈的激光直寫體像素互相交疊。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0024]1、本發(fā)明能夠以易于實現(xiàn)的工藝，可重復(fù)地制作三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)，并且所制備的三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)能夠使聚焦光斑達到亞波長甚至納米尺度，且具有更好的可調(diào)制性。
[0025]2、本發(fā)明的三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)的制備方法耗時少，且成品率高。
[0026]3、本發(fā)明的靈活性高，可設(shè)計性高，易于根據(jù)需要制備出適配各種不同波長的三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)。
[0027]4、本發(fā)明所制備的三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)具有極高的光能透過率。
[0028]5、本發(fā)明所制備的三維等離激元光學聚焦結(jié)構(gòu)能夠徹底消除等離激元在表面?zhèn)鞑ゴ嬖诘南嘞缮?，獲得對入射光偏振方向不敏感的三維等離激元聚焦，使實際應(yīng)用中對光的偏振與光路的對準問題獲得解決，可獲得更豐富的量子物理特性。
【附圖說明】
[0029]以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中:
[0030]圖1示出了本發(fā)明一個實施例中在襯底上敷涂光刻膠的示意圖；
[0031]圖2示出了本發(fā)明一個實施例中對光刻膠進行曝光的示意圖；
[0032]圖3示出了本發(fā)明一個實施例中的曝光區(qū)的形狀的示意圖；
[0033]圖4示出了本發(fā)明一個實施例中的螺旋上升軌跡的示意圖；
[0034]圖5示出了本發(fā)明一個實施例