本發(fā)明涉及一種基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的方法及裝置，屬于導(dǎo)波光學(xué)和納米尺度微加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

波導(dǎo)模場可作用于膠體顆粒，是源于模場強弱分布所產(chǎn)生的梯度力。與廣泛研究的光鑷效應(yīng)不同，光鑷效應(yīng)主要是利用匯聚的激光場來俘獲并且移動單顆或多顆粒子；而本項目提出的是用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所激發(fā)的模場來大量地俘獲膠體中的粒子。如果該設(shè)想成功，將是一種非常廉價且有效的新方法，能夠迅速獲得金屬納米粒子在空間中的規(guī)則分布。這種金屬納米顆粒的微結(jié)構(gòu)，以其獨特的光學(xué)特性，在微納米光子學(xué)領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景，比如可以用作集成光路中的plasmonics元件，微小光柵結(jié)構(gòu)和sers基底等等。

在現(xiàn)有技術(shù)中，一般采用粒子堆積的方法來做微結(jié)構(gòu)，而粒子堆積就只有自組裝和光鑷。貴金屬納米顆粒的自組裝可分為化學(xué)、生物和物理三種組裝方式?；瘜W(xué)組裝受溶液ph值，溫度，金屬離子，多肽類和鹽的影響。光鑷效應(yīng)主要是利用匯聚的激光場來俘獲并且移動單顆或多顆粒子，如果用光學(xué)鑷子來移動的話，非常耗時，并且只能組裝少數(shù)的粒子。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷和不足，提供了一種基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的方法及裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，該方法操作簡單，容易實現(xiàn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品；首先，進行三層玻璃切割，三層玻璃分別為上層玻璃、中間層玻璃和下層玻璃，其中，中間層玻璃中間位置開設(shè)有通孔、邊緣處設(shè)有與通孔連通的進樣孔，切割好的玻璃采用光膠技術(shù)粘合在一起，通孔處的空腔稱為微流體腔，上層玻璃為導(dǎo)波層；其次，采用磁控濺射的方法在導(dǎo)波層上表面濺射鍍膜形成耦合層、在下層玻璃下表面濺射鍍膜形成襯底；

步驟二，將步驟一制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品固定在θ/2θ轉(zhuǎn)角儀的轉(zhuǎn)臺上，選用激光器作為激發(fā)光源，波長為可見光和紫外光，然后進行光路-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品校準，校準的過程為：激光束垂直入射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品上，當反射光與入射光重合時，為校準點，此時轉(zhuǎn)臺角度稱為零點；

步驟三，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，改變激光束打到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品上的入射角，同時記錄反射光強度，并繪制反射光強度-入射角度曲線圖，在曲線圖上找出最佳點；

步驟四，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺，使激光束的入射角為最佳點的入射角，保持其他條件不變，向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品中注入溶劑，待溶劑完全揮發(fā)即可得到呈圓環(huán)狀分布的納米顆粒。

進一步，最佳點滿足的條件為，反射光強度小于入射光強度的10%，入射角度為0-15度，若有若干個點均滿足此條件，則選入射角最小的點作為最佳點。

進一步，所述耦合層為銀膜，所述襯底為金膜或銀膜。

進一步，所述耦合層的厚度為30-40nm。

進一步，所述襯底的厚度大于100nm。

本發(fā)明還提供一種基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的裝置，包括激光器、小孔光闌、偏振片、θ/2θ轉(zhuǎn)角儀、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光電二極管和下載有處理反射光app的計算機；所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品固定在θ/2θ轉(zhuǎn)角儀上的轉(zhuǎn)臺上，激光器的激光發(fā)射口與偏振片、小孔光闌的孔、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品在同一水平線上，所述小孔光闌為兩個，分別置于偏振片的兩側(cè)，由波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上反射出來的反射光通過光電二極管發(fā)送給計算機；所述激光器為785nm半導(dǎo)體激光器，光功率為100mw；

所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括耦合層、導(dǎo)波層、襯底和微流體腔，所述耦合層為采用磁控濺射的方法濺射在所述導(dǎo)波層上表面的膜，所述導(dǎo)波層為上層玻璃，上層玻璃與中層玻璃、下層玻璃采用光膠技術(shù)粘合在一起，其中，中層玻璃中間位置處設(shè)有通孔、邊緣處設(shè)有與通孔連通的進樣孔，通孔所在的空腔為微流體腔，所述下層玻璃的下表面通過磁控濺射的方法濺射一層膜形成襯底。

進一步，所述耦合層為銀膜，所述襯底為金膜或銀膜。

進一步，所述耦合層的厚度為30-40nm。

進一步，所述襯底的厚度大于100nm。

本發(fā)明所達到的有益技術(shù)效果：本發(fā)明提供的基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的方法，利用金屬膜的自然不平整度促進模式的模間耦合與模內(nèi)耦合，由超高階導(dǎo)模的激發(fā)實現(xiàn)了對液體中的納米顆粒的大規(guī)模俘獲，并且組裝成同心圓環(huán)狀的特殊微結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1本發(fā)明之波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明之基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明之實施例中金球納米顆粒在超高階導(dǎo)模激發(fā)狀態(tài)下的圓環(huán)形排布；

圖4本發(fā)明之實施例中金球納米顆粒無超高階導(dǎo)模激發(fā)狀態(tài)下的排布。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明專利進一步說明。

本發(fā)明提供一種基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

步驟一，制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品；首先，進行三層玻璃切割，三層玻璃分別為上層玻璃、中間層玻璃和下層玻璃，其中，中間層玻璃中間位置開設(shè)有通孔、邊緣處設(shè)有與通孔連通的進樣孔，切割好的玻璃采用光膠技術(shù)粘合在一起，通孔處的空腔稱為微流體腔，上層玻璃為導(dǎo)波層；其次，采用磁控濺射的方法在導(dǎo)波層上表面濺射鍍膜形成耦合層、在下層玻璃下表面濺射鍍膜形成襯底；

所述耦合層是厚度為30-40nm的銀膜，所述襯底是厚度大于100nm的金膜或銀膜。

步驟二，將步驟一制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品固定在θ/2θ轉(zhuǎn)角儀的轉(zhuǎn)臺上，選用激光器作為激發(fā)光源，波長為可見光和紫外光，然后進行光路-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品校準，校準的過程為：激光束垂直入射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品上，當反射光與入射光重合時，為校準點，此時轉(zhuǎn)臺角度稱為零點；

步驟三，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，改變激光束打到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品上的入射角，同時記錄反射光強度，并繪制反射光強度-入射角度曲線圖，在曲線圖上找出最佳點；最佳點滿足的條件為，反射光強度小于入射光強度的10%，入射角度為0-15度，若有若干個點均滿足此條件，則選入射角最小的點作為最佳點。

步驟四，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺，使激光束的入射角為最佳點的入射角，保持其他條件不變，向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣品中注入溶劑，待溶劑完全揮發(fā)即可得到呈圓環(huán)狀分布的納米顆粒。

本發(fā)明還提供一種基于超高階導(dǎo)模制備圓環(huán)狀納米顆粒微結(jié)構(gòu)的裝置，包括激光器001b、小孔光闌002b、偏振片003b、θ/2θ轉(zhuǎn)角儀005b、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)006b、光電二極管007b和下載有處理反射光app的計算機008b；所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)006b樣品固定在θ/2θ轉(zhuǎn)角儀005b上的轉(zhuǎn)臺上，激光器001b的激光發(fā)射口與偏振片003b、小孔光闌002b的孔、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)006b樣品在同一水平線上，所述小孔光闌002b為兩個，分別置于偏振片003b的兩側(cè)，由波導(dǎo)結(jié)構(gòu)006b上反射出來的反射光通過光電二極管發(fā)送給計算機008b；所述激光器001b為785nm半導(dǎo)體激光器，光功率為100mw；

所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括耦合層1、導(dǎo)波層4、襯底3和微流體腔2，所述耦合層1為采用磁控濺射的方法濺射在所述導(dǎo)波層4上表面的膜，所述導(dǎo)波層4為上層玻璃，上層玻璃4與中層玻璃5、下層玻璃6采用光膠技術(shù)粘合在一起，其中，中層玻璃5中間位置處設(shè)有通孔、邊緣處設(shè)有與通孔連通的進樣孔7，通孔所在的空腔為微流體腔2，所述下層玻璃6的下表面通過磁控濺射的方法濺射一層膜形成襯底3。

所述耦合層1為厚度為30-40nm的銀膜，襯底3為厚度大于100nm的金膜或銀膜。

本發(fā)明利用超高階導(dǎo)模激發(fā)制備圓環(huán)形納米顆粒的機制為：波導(dǎo)允許通過自由空間耦合的方式直接將入射光耦合進導(dǎo)波層并且激發(fā)超高階導(dǎo)模；從另一方面也說明了超高階導(dǎo)模具有泄漏模的特性。當波導(dǎo)的本征損耗與泄漏損耗相同時，泄漏的能量與反射能量可以完美相干相消，因此能量可以完全耦合進波導(dǎo)。

超高階導(dǎo)模為駐波型的振蕩模，模式密度很大，相鄰模式間的差異很小，致使不同模式的能量可以相互耦合。耦合的機理是利用超薄金屬膜的自然不平整度所產(chǎn)生的散射。我們將僅改變傳輸方向的波矢耦合稱為模內(nèi)耦合，把改變波矢大小的耦合稱為模間耦合。

在入射角為0-15度的小角度激發(fā)超高階導(dǎo)模，利用金屬膜的自然不平行度所產(chǎn)生的模間耦合與模內(nèi)耦合，所形成的光場分布是圓環(huán)狀的，不同的模式由于其傳輸距離的不同，以入射點為中心，其能量最高處位于距離中心不同半徑的圓環(huán)上，因此所激發(fā)的不同階的超高階導(dǎo)模最終的光場分布是一組同心圓環(huán)。

利用波導(dǎo)模場作用在微流體中的納米金屬粒子上，利用光場與金納米顆粒的相互作用，在空間上實現(xiàn)對大量金納米粒子的俘獲，從而使得膠體中金納米粒子的濃度分布與超高階導(dǎo)模模場的強度分布一致。

利用溶劑蒸發(fā)組裝法在保證波導(dǎo)能量耦合的前提下組裝被俘獲的金納米顆粒，待溶劑自然蒸發(fā)完成以后，被俘獲的金納米粒子最終組裝成超高階導(dǎo)模模場的強度分布形狀，這與沒有超高階導(dǎo)模的情形是完全不同的。沒有波導(dǎo)模場的作用，納米顆粒將組裝成雜亂無章的圖樣。

實施例

下面以具體實施例進行說明采用上述方法制備圓環(huán)形納米顆粒的技術(shù)效果，制備過程各參數(shù)設(shè)置：激光束波長785nm，光功率為100mw；被激發(fā)膠體溶液為金球納米顆粒溶液，金球納米顆粒溶液由檸檬酸三鈉還原h(huán)aucl4獲得，在入射光波長為785nm激光照射下進行實驗。

激發(fā)結(jié)束后，在掃描電子顯微鏡(sem)下觀察金球納米顆粒的排布，如圖3所示，可以清楚的觀察到，金球納米顆粒呈圓環(huán)形排布。

為了與上述實施例進行對比，保持各個參數(shù)不變，只是沒有激光束照射，得到的金球納米顆粒的排布，如圖4所示，從圖中可以看出，沒有激光束激發(fā)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成超高階導(dǎo)模時，金球納米顆粒的排布是雜亂無章的。因此，可以說明，在超高階導(dǎo)模的作用下，金球納米顆?？梢孕纬蓤A環(huán)形微結(jié)構(gòu)。

以上已以較佳實施例公布了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采取等同替換或等效變換的方案所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。