姜宇馳

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

光子掃描隧道顯微鏡突破傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率極限，是近場光學顯微鏡的一個典型應用實例.光纖探針是光子掃描隧道顯微鏡的關(guān)鍵元件，在近場成像過程中，優(yōu)良的探針能獲得較真實的樣品形貌圖形和較高的接收效率，減少無關(guān)的背景光學信息[1].最早的近場光學顯微鏡中的小孔裝置是利用頂端留有小孔的鍍金屬膜石英小棍或中空玻璃管.在此基礎(chǔ)上應用較廣的是在單模光纖頂端留有小孔的鍍金屬膜光纖探針[2]，后來發(fā)展的無孔徑探針又使得探針尖端附近有了更大的光增強和更高的分辨率.金屬的表面等離子體激元共振效應為光纖探針的設(shè)計提供了思路，無孔徑的光纖探針尖外表鍍金屬膜，在尖端小孔徑處適當殘留較薄的金屬膜層或者在光纖尖端黏附一個金屬納米粒子同時起到小孔徑和增強的作用[3].散射型的無孔徑近場光學顯微鏡采用側(cè)面照射金屬鍍膜光纖尖不受這個光強極限的影響，所以近年來在實驗和理論方面都引起人們越來越多的關(guān)注[4].本文利用（FD）2TD[5，6]數(shù)值方法對全鍍銀膜的四面錐尖進行了數(shù)值計算，并比較分析了波長分別為355nm和800nm的平面波分別從錐底面和側(cè)面入射在尖端近場范圍光增強的情況.

1 (FD)2TD方法

2 計算模型

圖1（a）、（b）分別指入射光從錐底面和側(cè)面入射的情況.偏振方向和波矢量如圖所示.

錐芯材料為SiO2，錐面角為90°.計算空間的網(wǎng)格數(shù)為150×150×100，每個網(wǎng)格大小為3×3×3nm3.

3 計算結(jié)果及討論

圖1 (a)入射光從錐底面入射

圖1 (b)入射光從錐側(cè)面入射

圖2 (a）355nm平面波從底面入射時最大光增強

當355nm的平面波從四面錐底面和側(cè)面入射時（如圖2所示），錐尖所在平面的最大光增強均在80左右，此外，兩者產(chǎn)生的光斑大小均小于10nm.

圖2 (b）355nm平面波從側(cè)面入射時最大光增強

當800nm的平面波從四面錐底面入射時，錐尖所在平面的最大光增強為3100（圖3（a））；當從側(cè)面入射時，錐尖所在平面的最大光增強則為1600（圖3（b））.此外，兩者產(chǎn)生的光斑大小均小于10nm.

圖3 (a）800nm平面波從底面入射時最大光增強

圖3 (b）800nm平面波從側(cè)面入射時最大光增強

由結(jié)果可知，波長較大的入射光從底面入射時可以在錐尖所在平面獲得較大的光增強.由于金屬對波長較長的光的吸收作用不是很強，所以從底面入射時，光能大部分轉(zhuǎn)化為表面等離子激元的共振能量，而對表面等離子激元而言，相應波的傳播方向趨于結(jié)構(gòu)尺寸減小的趨勢[8]，從而能在尖端引起較大的光增強.而入射光波長較小時，無論從四面錐尖的側(cè)面還是底面入射，金屬對光的吸收能力加強，大部分光能被金屬膜吸收，導致錐尖所在平面處光增強均很小.

本文利用（FD）2TD方法對不同入射光波長分別從底面和側(cè)面照射下全鍍銀膜四面錐尖端近場的光增強分布進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：采用全鍍銀膜的四面錐尖不僅可以突破傳統(tǒng)透鏡聚焦光斑受衍射極限的限制，能夠獲得納米尺度的聚焦光斑，而且較大波長的入射光從底面入射時能夠獲得更大的光增強，這在近場光學研究領(lǐng)域有著重要的應用前景.

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