基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法及装置与流程

本发明涉及一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法及装置，属于导波光学和纳米尺度微加工领域。

背景技术：

波导模场可作用于胶体颗粒，是源于模场强弱分布所产生的梯度力。与广泛研究的光镊效应不同，光镊效应主要是利用汇聚的激光场来俘获并且移动单颗或多颗粒子；而本项目提出的是用波导结构所激发的模场来大量地俘获胶体中的粒子。如果该设想成功，将是一种非常廉价且有效的新方法，能够迅速获得金属纳米粒子在空间中的规则分布。这种金属纳米颗粒的微结构，以其独特的光学特性，在微纳米光子学领域有极大的应用前景，比如可以用作集成光路中的plasmonics元件，微小光栅结构和sers基底等等。

在现有技术中，一般采用粒子堆积的方法来做微结构，而粒子堆积就只有自组装和光镊。贵金属纳米颗粒的自组装可分为化学、生物和物理三种组装方式。化学组装受溶液ph值，温度，金属离子，多肽类和盐的影响。光镊效应主要是利用汇聚的激光场来俘获并且移动单颗或多颗粒子，如果用光学镊子来移动的话，非常耗时，并且只能组装少数的粒子。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法及装置，该装置结构简单，成本低，该方法操作简单，容易实现。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，制备波导结构样品；首先，进行三层玻璃切割，三层玻璃分别为上层玻璃、中间层玻璃和下层玻璃，其中，中间层玻璃中间位置开设有通孔、边缘处设有与通孔连通的进样孔，切割好的玻璃采用光胶技术粘合在一起，通孔处的空腔称为微流体腔，上层玻璃为导波层；其次，采用磁控溅射的方法在导波层上表面溅射镀膜形成耦合层、在下层玻璃下表面溅射镀膜形成衬底；

步骤二，将步骤一制备的波导结构样品固定在θ/2θ转角仪的转台上，选用激光器作为激发光源，波长为可见光和紫外光，然后进行光路-波导结构样品校准，校准的过程为：激光束垂直入射波导结构样品上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；

步骤三，转动转台，改变激光束打到波导结构样品上的入射角，同时记录反射光强度，并绘制反射光强度-入射角度曲线图，在曲线图上找出最佳点；

步骤四，调节转台，使激光束的入射角为最佳点的入射角，保持其他条件不变，向波导结构样品中注入溶剂，待溶剂完全挥发即可得到呈圆环状分布的纳米颗粒。

进一步，最佳点满足的条件为，反射光强度小于入射光强度的10%，入射角度为0-15度，若有若干个点均满足此条件，则选入射角最小的点作为最佳点。

进一步，所述耦合层为银膜，所述衬底为金膜或银膜。

进一步，所述耦合层的厚度为30-40nm。

进一步，所述衬底的厚度大于100nm。

本发明还提供一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的装置，包括激光器、小孔光阑、偏振片、θ/2θ转角仪、波导结构、光电二极管和下载有处理反射光app的计算机；所述波导结构样品固定在θ/2θ转角仪上的转台上，激光器的激光发射口与偏振片、小孔光阑的孔、波导结构样品在同一水平线上，所述小孔光阑为两个，分别置于偏振片的两侧，由波导结构上反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机；所述激光器为785nm半导体激光器，光功率为100mw；

所述波导结构包括耦合层、导波层、衬底和微流体腔，所述耦合层为采用磁控溅射的方法溅射在所述导波层上表面的膜，所述导波层为上层玻璃，上层玻璃与中层玻璃、下层玻璃采用光胶技术粘合在一起，其中，中层玻璃中间位置处设有通孔、边缘处设有与通孔连通的进样孔，通孔所在的空腔为微流体腔，所述下层玻璃的下表面通过磁控溅射的方法溅射一层膜形成衬底。

进一步，所述耦合层为银膜，所述衬底为金膜或银膜。

进一步，所述耦合层的厚度为30-40nm。

进一步，所述衬底的厚度大于100nm。

本发明所达到的有益技术效果：本发明提供的基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法，利用金属膜的自然不平整度促进模式的模间耦合与模内耦合，由超高阶导模的激发实现了对液体中的纳米颗粒的大规模俘获，并且组装成同心圆环状的特殊微结构。

附图说明

图1本发明之波导结构示意图；

图2本发明之基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的装置的结构示意图；

图3本发明之实施例中金球纳米颗粒在超高阶导模激发状态下的圆环形排布；

图4本发明之实施例中金球纳米颗粒无超高阶导模激发状态下的排布。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

本发明提供一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法，包括以下步骤：

步骤一，制备波导结构样品；首先，进行三层玻璃切割，三层玻璃分别为上层玻璃、中间层玻璃和下层玻璃，其中，中间层玻璃中间位置开设有通孔、边缘处设有与通孔连通的进样孔，切割好的玻璃采用光胶技术粘合在一起，通孔处的空腔称为微流体腔，上层玻璃为导波层；其次，采用磁控溅射的方法在导波层上表面溅射镀膜形成耦合层、在下层玻璃下表面溅射镀膜形成衬底；

所述耦合层是厚度为30-40nm的银膜，所述衬底是厚度大于100nm的金膜或银膜。

步骤二，将步骤一制备的波导结构样品固定在θ/2θ转角仪的转台上，选用激光器作为激发光源，波长为可见光和紫外光，然后进行光路-波导结构样品校准，校准的过程为：激光束垂直入射波导结构样品上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；

步骤三，转动转台，改变激光束打到波导结构样品上的入射角，同时记录反射光强度，并绘制反射光强度-入射角度曲线图，在曲线图上找出最佳点；最佳点满足的条件为，反射光强度小于入射光强度的10%，入射角度为0-15度，若有若干个点均满足此条件，则选入射角最小的点作为最佳点。

步骤四，调节转台，使激光束的入射角为最佳点的入射角，保持其他条件不变，向波导结构样品中注入溶剂，待溶剂完全挥发即可得到呈圆环状分布的纳米颗粒。

本发明还提供一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的装置，包括激光器001b、小孔光阑002b、偏振片003b、θ/2θ转角仪005b、波导结构006b、光电二极管007b和下载有处理反射光app的计算机008b；所述波导结构006b样品固定在θ/2θ转角仪005b上的转台上，激光器001b的激光发射口与偏振片003b、小孔光阑002b的孔、波导结构006b样品在同一水平线上，所述小孔光阑002b为两个，分别置于偏振片003b的两侧，由波导结构006b上反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机008b；所述激光器001b为785nm半导体激光器，光功率为100mw；

所述波导结构包括耦合层1、导波层4、衬底3和微流体腔2，所述耦合层1为采用磁控溅射的方法溅射在所述导波层4上表面的膜，所述导波层4为上层玻璃，上层玻璃4与中层玻璃5、下层玻璃6采用光胶技术粘合在一起，其中，中层玻璃5中间位置处设有通孔、边缘处设有与通孔连通的进样孔7，通孔所在的空腔为微流体腔2，所述下层玻璃6的下表面通过磁控溅射的方法溅射一层膜形成衬底3。

所述耦合层1为厚度为30-40nm的银膜，衬底3为厚度大于100nm的金膜或银膜。

本发明利用超高阶导模激发制备圆环形纳米颗粒的机制为：波导允许通过自由空间耦合的方式直接将入射光耦合进导波层并且激发超高阶导模；从另一方面也说明了超高阶导模具有泄漏模的特性。当波导的本征损耗与泄漏损耗相同时，泄漏的能量与反射能量可以完美相干相消，因此能量可以完全耦合进波导。

超高阶导模为驻波型的振荡模，模式密度很大，相邻模式间的差异很小，致使不同模式的能量可以相互耦合。耦合的机理是利用超薄金属膜的自然不平整度所产生的散射。我们将仅改变传输方向的波矢耦合称为模内耦合，把改变波矢大小的耦合称为模间耦合。

在入射角为0-15度的小角度激发超高阶导模，利用金属膜的自然不平行度所产生的模间耦合与模内耦合，所形成的光场分布是圆环状的，不同的模式由于其传输距离的不同，以入射点为中心，其能量最高处位于距离中心不同半径的圆环上，因此所激发的不同阶的超高阶导模最终的光场分布是一组同心圆环。

利用波导模场作用在微流体中的纳米金属粒子上，利用光场与金纳米颗粒的相互作用，在空间上实现对大量金纳米粒子的俘获，从而使得胶体中金纳米粒子的浓度分布与超高阶导模模场的强度分布一致。

利用溶剂蒸发组装法在保证波导能量耦合的前提下组装被俘获的金纳米颗粒，待溶剂自然蒸发完成以后，被俘获的金纳米粒子最终组装成超高阶导模模场的强度分布形状，这与没有超高阶导模的情形是完全不同的。没有波导模场的作用，纳米颗粒将组装成杂乱无章的图样。

实施例

下面以具体实施例进行说明采用上述方法制备圆环形纳米颗粒的技术效果，制备过程各参数设置：激光束波长785nm，光功率为100mw；被激发胶体溶液为金球纳米颗粒溶液，金球纳米颗粒溶液由柠檬酸三钠还原haucl4获得，在入射光波长为785nm激光照射下进行实验。

激发结束后，在扫描电子显微镜(sem)下观察金球纳米颗粒的排布，如图3所示，可以清楚的观察到，金球纳米颗粒呈圆环形排布。

为了与上述实施例进行对比，保持各个参数不变，只是没有激光束照射，得到的金球纳米颗粒的排布，如图4所示，从图中可以看出，没有激光束激发波导结构形成超高阶导模时，金球纳米颗粒的排布是杂乱无章的。因此，可以说明，在超高阶导模的作用下，金球纳米颗粒可以形成圆环形微结构。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。