基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射 祁云平;周培阳;张雪伟;严春满;王向贤
【摘 要】金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了 22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2018(067)010
【总页数】9页(P200-208)
【关键词】光学异常透射;塔姆激元;表面等离极化激元;类法布里-珀罗腔共振
【作 者】祁云平;周培阳;张雪伟;严春满;王向贤
【作者单位】西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心, 兰州 730070;西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心, 兰州 730070;西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心, 兰州 730070;西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心, 兰州 730070;兰州理工大学理学院, 兰州 730050
【正文语种】中 文
1 引 言
50多年前,人们对金属介质中的等离子体激元已有研究.1957年,Ritchie发现当高能电子束穿过金属介质时,能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动,也就是等离子体激元[1].后来人们发现用入射光照射金属薄膜时,当满足一定条件的情况下能够激发出表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs),这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式[2,3].近几年来,对亚波长金属微纳米结构中光的传播和激发已进行了广泛的研究,其中光学异常透射(extraordinary optical transmission,EOT)现象突破了传统孔径理论的限制,并且基于EOT现象的纳米光子器件在纳米光子集成、纳米光刻、生物传感器等多个领域引起了广泛关注[4−10].1998年,Ebbesen等[4]在研究金属薄膜亚波长孔阵列的光学透射特性时,首次发现对于特定的入射光,其透过率高于孔的面积与总面积的比值,即EOT现象,与之前知道的Bethe-Bouwkamp小孔透射理论相比[11,12],透射率高出1—2个数量级.对于这种现象,研究人员给出了两种解释:一是金属SPPs被入射光有效激发[13−16];二是SPPs在缝内形成法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)共振的腔模共振[17,18].
单纳米金属缝结构由于其结构简单、易于集成,常常用在基于SPPs的纳米结构中构建光源.但是,单纳米缝一直存在低透射率的问题,为了提高狭缝的透射率,之前文献提出了几种有效的方法:文献[19]设计了一个亚波长单缝多凹槽结构,在纳米缝的入射口和出射口两侧加凹槽,这样能更好地激发SPPs发生耦合作用;文献[20]提出在周期性纳米带两侧加上一对凸起的介质柱,这样在表面传输的SPPs被介质柱反射回来,有效地增加单纳米缝的透射率;除此之外,在很多纳米器件中可以采用高折射率的介质代替玻璃介质,这样可以利用高折射率衬底的F-P腔共振效应来提高纳米缝的透射率[21,22].
本文使用有限元方法,对文献[23]的结构进行改变,进一步增强单纳米缝异常透射.该结构由分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝加凹槽结构构成,当入射光由DBR侧入射时,在DBR与银膜界面上激发出塔姆等离子体激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)模式[24−28],TPPs也是一种表面态模式,而且具有局域场增强效应,是由于Bragg反射在界面上形成的、强度沿界面向两边材料衰减的界面模式,但是损耗并没有SPPs模式大,橫电(TE)和横磁(TM)偏振光都能够激发TPPs,其散曲线位于光锥内侧,因此在具有负介电常数的贵金属与介质Bragg反射镜界面上,TPPs能够直接被激发[24,29].当TM横磁波(Hz,Ex,Ey分量不为0)由DBR侧入射时,在DBR与银膜界面上将激发出TPPs模式,并在纳米缝
入射端处与 SPPs模式耦合形成TPPs-SPPs混合模式.当 TPPs模式与 SPPs模式满足波矢匹配条件时,利用 TPPs模式的局域场增强效应显著提高了SPPs模式的激发效率,结合纳米缝中的类F-P腔共振效应,可有效增强单纳米缝的异常透射率[24].本文在单缝左右两侧引入对称凹槽对,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的相互干涉相长或干涉相消作用,通过优化的凹槽对位置实现干涉相长,以及TPPs模式的局域场增强效应和两侧凹槽的干涉相长耦合作用进一步提高SPPs模式的激发效率,可以更加有效地提高电磁波进入单缝波导并向外透射的效率,再加上纳米缝中的类F-P腔共振效应,从而有效地增强了单纳米缝的透射率.
2 模型结构和计算方法
本文在文献[23]的基础上,在银膜入射侧和出射侧挖槽来增加透射率,如图1所示.DBR由高折射率的A(TiO2)和低折射率的B(Al2O3)构成,在DBR上镀上金属银膜,在银膜中心设置了一个纳米缝,银纳米缝两侧刻蚀凹槽构成DBR-银纳米缝凹槽结构.TiO2层和Al2O3层的折射率分别为nA=2.34,nB=1.63,厚度分别为dA=81.5 nm,dB=117 nm.缝宽w=130 nm,银膜厚度dm=50 nm,DBR里面的介质取9.5个周期.
应用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件数值分析了DBR-银纳米缝凹槽结构的透射特性,在x方向图1结构的左右两端添加PML完美匹配层;在y方向的上下两端添加周期边界条件.本文对DBR-金属纳米缝结构和DBR-金属纳米缝凹槽结构进行透射率对比.将通过狭缝出射口的出射功率Pout与入射口的入射功率Pin之比当作透射率定义,即T=Pout/Pin=|Etran/Ein|2.在模拟仿真中,金属银膜的相对介电常数的值随波长变化,采用Drude模型:,其中ε∞ =3.7,ωp=1.3825×1016rad/s,γ=2.7347×1013rad/s.当入射波的波长为TPPs激发波长(λ=819 nm)时,银的介电常数取εAg= −32.429−0.42958i.当TM波(Hz,Ex,Ey分量不为0)由DBR侧入射时,在DBR与银膜界面上将激发出TPPs模式.与SPPs相似的是,电磁波由于贵金属银的负介电常数(在光学和近红外某波段内低于金属等离子体频率时),TPPs被限制在金属表面;在多层电介质结构中,电磁波不是由于全内反射被束缚在表面,而是由于Bragg反射镜存在的光子禁带而被禁锢,TPPs的磁场是高度束缚在金属薄膜与相邻电介质层的分界面处,其强度以分界面为中心,并向两边指数衰减[23,24].
图1 DBR-银纳米缝凹槽结构示意图Fig.1.Schematic of a single nano-slit surrounded by grooves in a silver film on a DBR.
3 结果与分析
3.1 DBR-银纳米缝结构
对于DBR-银纳米缝结构,它的异常透射是因为DBR与银膜表面激发的TPPs和银纳米缝中激发的SPPs相互耦合所产生的.图2(a)是DBR-银纳米缝结构透射率(T)随入射波波长的变化关系,可以看出透射率随着波长的变化而变化,当入射TM波为TPPs激发波长(λ=819 nm)时,其透射率达到最大值,这就说明在DBR-银膜界面激发出TPPs的同时,银膜狭缝中的SPPs模式也得到了有效的激发,两者同时激发并且相互耦合,使得DBR-银纳米缝结构具有异常的透射特性.图2(b)是DBR-银纳米缝结构的场强模值分布图.TM偏振光入射到DBR侧时,DBR与银膜界面上激发了TPPs模式,加上耦合进银纳米缝激发的SPPs,以及银纳米缝中反射和折射出来的光与银膜界面上的TPPs相干叠加,形成了周期性干涉相消和相长的场强分布.
