芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 101986175 A(43)申请公布日 2011.03.16CN101986175A*CN101986175A*(21)申请号 201010523965.0(22)申请日 2010.10.29G02B 6/122(2006.01)G02B 6/10(2006.01)(71)申请人浙江大学地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号(72)发明人童利民 马哲 张奚宁 郭欣杨青 马耀光(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司 33200代理人周烽(54) 发明名称芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法(57) 摘要本发明公开了一种芯片集成式金属纳米线的表

2、面等离子体激发方法，该方法将金属纳米线放置于激光二极管芯片的出光面，激发表面等离子体在金属纳米线中传输。本发明使得光源与等离子体波导直接在芯片上集成，从而省去了传统表面等离子体激发方法中的透镜、棱镜等耦合装置，该结构中金属纳米线的输出为线偏振光，可通过调节纳米线的方向调节光强输出。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 4 页CN 101986176 A 1/1页21.一种芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法，其特征在于，该方法为：将金属纳米线的一端放置于激光二极管芯片的出光面，在该端激发表面等离子体并使其在

3、金属纳米线中传输。金属纳米线的另一端作为光信号的输出端。2.根据权利要求1所述的芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法，其特征在于，所述的金属纳米线直径可以为501000nm。3.根据权利要求1所述的芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法，其特征在于，所述的激光二极管芯片，为普通商用激光二极管，中心波长可以为400nm2000nm。4.根据权利要求1所述的芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法，其特征在于，该方法以激光二极管芯片的端面作为衬底。5.根据权利要求1所述的芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法，其特征在于，所述的金属纳米线的输出端光信号强度依赖于金属纳米线与激光二极

4、管出光区的夹角。6.根据权利要求1所述的芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法，其特征在于，所述的金属纳米线可以为单根或多根结构。权 利 要 求 书CN 101986175 ACN 101986176 A 1/2页3芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法技术领域0001 本发明涉及表面等离子体的激发方法，尤其涉及一种光源与表面等离子体波导的芯片集成式激发方法。背景技术0002 在纳米领域中，金属纳米线在制造电子学、光子学、传感器件中具有广阔的应用前景。近年来，随着金属纳米线制备工艺的改进，相对低损耗的金属纳米线已经被制备出来，并应用于制作基于表面等离子体的Fabry-Perot光学谐振

5、腔和表面增强喇曼现象的研究。然而，如何实现光从光源到金属纳米线的有效耦合，仍然是一个急需解决的现实问题。传统的方法包括基于Kretschmann装置的棱镜全反射耦合或物镜聚焦耦合，这些方法的缺陷在于采用大体积的光学元件(棱镜、物镜等)，无法实现光源与表面等离子波导的芯片集成。发明内容0003 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法。0004 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：将金属纳米线的一端置于激光二极管芯片的出光面，在这一端激发表面等离子体并在金属纳米线中传输，金属纳米线的另一端作为光信号的输出端。0005 本发明具有的有益效果是：本发明

6、实现了作为光源的激光二极管芯片与作为表面等离子体波导的金属纳米线的直接芯片集成，省略掉了光源到纳米线的耦合装置，从而提高了整体器件的集成度。附图说明0006 图1是本发明的激发方法示意图。0007 图2是该结构的表面等离子体的激发照片，其中，(a)为三根银纳米线放置于激光二极管(中心波长为650nm)出光面的扫描电子显微镜照片；(b)为激光二极管点亮时的光学显微镜照片，白色箭头指明了出光位置；(c)为使用780nm波长激光二级管激发表面等离子体在银纳米线中传输的光学显微镜照片，银纳米的放置位置如插图所示。图2中所有标尺均为5m。0008 图3为银纳米线输出光的偏振特性，其中，(a)为光学显微镜

7、照片指示出银纳米线的放置位置；(b-d)为不同偏振角度下纳米线输出光的光学显微镜照片，对应偏振角分别为-7.7，-45.9和-78.7，其中黑色双向箭头表示偏振方向；(e)为输出光强随偏振角度的变化关系。图3中所有标尺均为5m。0009 图4为输出光强随银纳米线角度的变化关系，其中，(a)为纳米线的推动方法示意图；(b-d)为调节角度过程中，不同角度下光强的变化过程；(e)为光强随角度的变化关系。图4中所有标尺均为5m。说 明 书CN 101986175 ACN 101986176 A 2/2页40010 图5是该发明的几种补充结构，其中，(a，b)分别为该结构基础上引入一个纳米棒前后银纳米线

8、输出光强的变化，其中右下角和右上角的插图分别为光学显微镜照片和电子显微镜照片；(c)为从银纳米线中部激发；(d)为两根重叠放置的银纳米线先后分别被激发；(c，d)中的插图为相应结构的电子显微镜照片。图5的标尺均为5m。具体实施方式0011 下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。0012 如图1所示，本发明将金属纳米线的一端置于激光二极管芯片的出光面，激发表面等离子体在金属纳米线中的传输，在金属纳米线的另一端，表面等离子体耦合成为自由空间的光发射出来。0013 所述的金属纳米线直径为50-1000nm。所述的激光二极管使用一般的商用激光二极管，波长可为400-

9、2000nm。如图2(b)中使用的激光二极管为日本Sanyo公司的DL-3147-065型红光激光二极管(中心波长约650nm)，图2(c)中使用Rohm公司的RLD78NZH1型红外激光二极管(中心波长约为785nm)。所述的结构可以为多根或单根纳米线结构，图2(b)即为三根银纳米线同时在650nm波长处耦合激发的照片，图2(c)为单根结构在785nm波长处的耦合激发。0014 (1)使用物理或化学方法制备直径50-1000nm左右的金属纳米线，在光学显微镜下利用光纤探针在激光二极管端面上推动银纳米线，使其一段置于激光二极管出光面，从而激发表面等离子体。图3(a)为该结构的光学显微镜照片，在

10、光学显微镜的物镜和照相机之间插入一个起偏器，然后关掉光学显微镜照明光，打开激光二极管，选择起偏器的偏振角度，可拍下不同偏振态下纳米线的输出光强。图3(b-d)为偏振角分别为-7.7，-45.9和-78.7时的光学显微镜照片。从图3(e)中可以看出，输出光强随偏振角度正弦变化。0015 (2)通过使用光纤探针推动纳米线的一端，可以调节纳米线的角度，从而得到不同角度下输出光强的变化。推动纳米线以改变角度的示意图如图4(a)所示。图4(b-d)为夹角分别为38，60和70时的光学显微镜照片。从图4(e)中可以看出，随着夹角的增加，光强迅速增大。0016 (3)图5为几种改进结构的显微照片。图5(a，

11、b)分别为放置一个纳米棒前后的照片，对比得出：引入纳米棒，使输出光强增强了约53。图5(c)为从纳米线的中部激发的照片。图5(d)表示两根银纳米线重叠放置，一根银纳米线由激光二极管的出光面激发，再耦合入另一根银纳米线中。0017 本发明芯片集成式金属纳米线的表面等离子体激发方法使得光源与表面等离子体波导直接在芯片上集成，从而省去了传统表面等离子体激发方法中的透镜、棱镜等耦合装置。该结构中金属纳米线的输出为线偏振光，可通过调节纳米线的方向调节光强输出。说 明 书CN 101986175 ACN 101986176 A 1/4页5图1图2说 明 书 附 图CN 101986175 ACN 101986176 A 2/4页6图3说 明 书 附 图CN 101986175 ACN 101986176 A 3/4页7图4说 明 书 附 图CN 101986175 ACN 101986176 A 4/4页8图5说 明 书 附 图CN 101986175 A