基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法技术

本发明专利技术公开了基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，包括以下步骤：（1）基于耦合偶极子近似原理，在光纤芯端面沿其圆周方向呈圆环阵列均布间隔设有数个金属纳米粒子；（2）利用光纤的模场进行激发，并通过金属纳米粒子的周期性圆环阵列分布，产生将单个粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚表面晶格共振效应。本发明专利技术可实现将单个金属纳米粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚共振效应，是一种结构简单、光场耦合效率高、局域场增强效应高、适合与光纤端面结合的新型共振机制和共振结构。共振结构。共振结构。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法


[0001]本专利技术涉及集成全光纤器件领域，具体涉及基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法。

技术介绍

[0002]鉴于光纤和平面纳米结构制造技术的发展，将3D材料或2D表面加工到光纤端面上的功能型光纤端面结构正飞速发展；由于其具有尺寸小、重量轻、功能多、插入损耗小等优点，光纤尖端上的集成在光束整形、遥感、光学操纵、成像以及信号处理方面具有很强的应用前景，有望实现全光纤网络、全光子器件以及光纤端面实验室。
[0003]但是这些具有复杂纳米结构的光纤尖端存在以下缺点：1)制造工艺复杂、周期长、成本高；2)光与物质相互作用；3)光场的耦合效率低。
[0004]表面晶格共振的形成是光场与纳米粒子阵列相互作用的结果，由于金属纳米粒子阵列的光集聚激发，使其表现为明显的窄等离激元共振。通常，金属纳米粒子以周期性的1D或2D结构阵列排列，由于阵列中单个纳米粒子们的局部等离激元共振之间的耦合，相应的等离激元共振的宽度可窄至一纳米左右。除了较窄的共振宽度外，表面晶格共振还同时具有等离激元学和光子学的优点，譬如极大的场增强特性、消光特性以及光与物质相互作用的特性。由此可见，等离激元阵列所具有的表面晶格共振效应可以提高超灵敏传感、超光子器件、光通信以及新型超材料表面等方面的性能。但是表面晶格共振不能够实现将单个粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚共振效应，而且表面晶格共振对激发场的分布、入射角均有要求。
[0005]另外，目前复杂光场因其偏振态和光学奇点的空间不均匀分布的特性越来越受到大家的关注，这种复杂光场还可以带来新的光调控自由度，进而可以探究新的应用领域。但是基于传统光学实现复杂光场的方法具有结构复杂、规模大以及成本高等缺点，这极大限制了复杂光场在集成光学中的应用前景。
[0006]因此，以上问题亟需解决。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，圆环阵列结构满足旋转对称性，其耦合表现为相邻金属纳米粒子间耦合和对称耦合两种形式，其相较于表面晶格共振，在结构参数匹配的情况下，可实现将单个金属纳米粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚共振效应。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术的基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，其创新点在于：包括以下步骤：
[0009](1)基于耦合偶极子近似原理，在光纤芯端面沿其圆周方向呈圆环阵列均布间隔设有数个金属纳米粒子；
[0010](2)利用光纤的模场进行激发，并通过金属纳米粒子的周期性圆环阵列分布，产生
将单个粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚表面晶格共振效应。
[0011]优选的，在上述步骤(1)中，金属纳米粒子采用贵金属纳米颗粒，且其形状为长方体、球体或椭球状。
[0012]优选的，在上述步骤(1)中，金属纳米粒子的圆环阵列结构需满足旋转对称性，且圆环阵列的分布基准为所有金属纳米粒子重心围成的圆形轨迹。
[0013]优选的，在上述步骤(2)中，金属纳米粒子圆环阵列的耦合表现为相邻金属纳米粒子间耦合和对称耦合两种形式。
[0014]优选的，在上述步骤(2)中，每一个金属纳米粒子都达到自身的局域等离子体共振，并且整个圆环阵列的共振趋于同步，相互促进增强，即共振效应的增强因子可极大增强。
[0015]优选的，在上述步骤(2)中，集聚表面晶格共振效应的增强因子受粒子材料、阵列半径R，粒子数N以及粒子方向θ因素影响。
[0016]优选的，在上述步骤(2)中，金属纳米粒子圆环阵列的辐射场的偏振分布以及场强分布相对固定，与激发场的分布无关。
[0017]优选的，在上述步骤(2)中，集聚表面晶格共振效应只能通过特定的几何排列激发，即具有集聚表面晶格共振效应的金属纳米粒子阵列的矢量辐射方向与激发光无关。
[0018]优选的，在上述步骤(2)中，金属纳米粒子圆环阵列结构具有高耦合效率，并确保了局域矢量场的高增强。
[0019]优选的，在上述步骤(2)中，金属纳米粒子圆环阵列的辐射场具有丰富拓扑特性，可根据耦合表面晶格模式，利用偏振、相位和强度操纵光束的空间分布。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术的圆环阵列结构满足旋转对称性，其耦合表现为相邻金属纳米粒子间耦合和对称耦合两种形式，其相较于表面晶格共振，在结构参数匹配的情况下，可实现将单个金属纳米粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚共振效应；
[0022](2)相较于表面晶格共振，本专利技术在共振位置，金属纳米粒子阵列的辐射场表现出很强的增强，提供了非常优秀的鲁棒性，并且辐射场的偏振分布以及场强分布相对固定，与激发场的分布无关；
[0023](3)本专利技术金属纳米粒子的圆环阵列结构满足旋转对称性，相较于通常具有平移对称性的周期阵列，更易于光纤集成；
[0024](4)本专利技术所有金属纳米粒子之间的局域等离激元共振之间的最佳耦合，导致局部集中场的强度极高，也就是说高耦合效率保证了局部矢量场的高增强，而且共振阵列的辐射方向与入射角无关，这与普通的表面晶格共振明显不同；
[0025](5)本专利技术可提供一种相对简单的方法来产生具有丰富拓扑特性的且可以增强局部场强度的复杂光场，可根据耦合表面晶格模式，利用偏振、相位和强度操纵光束的空间分布，有利于以低成本运用到新型全光纤光子器件的光纤尖端上。
附图说明
[0026]为了更清晰地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本专利技术基于光纤端面的圆环金属纳米粒子阵列示意图。
[0028]图2为本专利技术金属纳米粒子阵列的几何模型。
[0029]图3为本专利技术不同粒子数下金属纳米粒子阵列的表面晶格共振效应对比图和两种耦合机制。
[0030]图4为本专利技术与粒子数有关的集聚表面晶格共振峰变化图。
[0031]图5为本专利技术金属纳米粒子圆环阵列(N＝6,R＝86nm和θ＝29
°
)在不同传播距离(L＝30nm、60nm、90nm和120nm)下的矢量辐射场的演化过程。
[0032]其中，1
‑
光纤包层；2
‑
金属纳米粒子；3
‑
光纤芯端面。
具体实施方式
[0033]下面将通过具体实施方式对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0034]本专利技术的基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：
[0035](1)基于耦合偶极子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)基于耦合偶极子近似原理，在光纤芯端面沿其圆周方向呈圆环阵列均布间隔设有数个金属纳米粒子；(2)利用光纤的模场进行激发，并通过金属纳米粒子的周期性圆环阵列分布，产生将单个粒子的局域表面等离子体共振与表面晶格共振同时激发的集聚表面晶格共振效应。2.根据权利要求1所述的基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，其特征在于：在上述步骤(1)中，金属纳米粒子采用贵金属纳米颗粒，且其形状为长方体、球体或椭球状。3.根据权利要求1所述的基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，其特征在于：在上述步骤(1)中，金属纳米粒子的圆环阵列结构需满足旋转对称性，且圆环阵列的分布基准为所有金属纳米粒子重心围成的圆形轨迹。4.根据权利要求1所述的基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，其特征在于：在上述步骤(2)中，金属纳米粒子圆环阵列的耦合表现为相邻金属纳米粒子间耦合和对称耦合两种形式。5.根据权利要求1所述的基于光纤端面的圆环金属粒子阵列集聚共振效应制备方法，其特征在于：在上述步骤(2)中，每一个金属纳米粒子都达到自身的局域等离子体共振，并且整个圆环阵列的共振趋于...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚雪芬，陆炎，刘雪玉，朱永祥，
申请(专利权)人：江苏航运职业技术学院，
类型：发明
国别省市：