金屬狹縫結(jié)構(gòu)中表面等離激元行為調(diào)控.pdf

1、表面等離激元波(Surface Plasmon Polaritions Wave，SPPs Wave)是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用形成的，并沿著金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ臏?zhǔn)二維電磁表面波，其電磁場強(qiáng)度在垂直于界面的兩個(gè)方向都呈指數(shù)衰減。早在100多年以前，SPPs就已首次被觀察到，但是人們對它的產(chǎn)生和控制的潛能，以及最終把它們應(yīng)用到實(shí)際生活中去的目標(biāo)，也是近些年通過提高納米尺度器件的制造技術(shù)才有可能得以實(shí)現(xiàn)的。其實(shí)，對于許多金

2、屬孔洞和狹縫陣列結(jié)構(gòu)提高光傳輸?shù)拇蠖鄶?shù)物理機(jī)制都涉及到了SPPs，并且它將有可能影響許多領(lǐng)域的研究發(fā)展，如光存儲技術(shù)，新型光源，生物光子學(xué)等等。我們可以通過改變金屬表面結(jié)構(gòu)來改變SPPs的相關(guān)性質(zhì)，因?yàn)榇藭r(shí)它的色散關(guān)系和耦合效應(yīng)等都會(huì)發(fā)生重大的改變。它具有的特殊性質(zhì)和新穎的效應(yīng)都是當(dāng)前納米光子學(xué)研究的熱點(diǎn)。由于SPPs突破了傳統(tǒng)的衍射極限，允許亞波長的限制，因此它成為設(shè)計(jì)納米光學(xué)器件（例如波導(dǎo)、棱鏡、反射器、濾光器、光伏器件等等）和超緊

3、湊集成型光子回路的最佳“候選者”。但是，在這些利用在我們的現(xiàn)實(shí)生活中能實(shí)現(xiàn)之前，我們首先最重要的是要靈活地提高SPPs的有效激發(fā)和與光的耦合效率，從而來實(shí)現(xiàn)對光與物質(zhì)相互作用的有效控制。
　　 本文基于既經(jīng)典又簡單的金屬單一狹縫，設(shè)計(jì)了兩種不對稱的金屬狹縫結(jié)構(gòu)來研究表面等離激元的定向激發(fā)特性。本文理論計(jì)算是基于嚴(yán)格的電磁場理論，采用二維時(shí)域有限差分法(Two-dimensional finite-difference time-

4、domain method,2-D FDTD)模擬了其中的光學(xué)現(xiàn)象和金屬與入射光波之間的相互作用，并證實(shí)了由于介質(zhì)和微腔的加入，使得SPPs的激發(fā)和耦合效率得到了很大地提高，實(shí)現(xiàn)了高效率的SPPs定向激發(fā)。主要內(nèi)容如下:
　　 (1)基于金屬狹縫結(jié)構(gòu)，通過在金屬狹縫出口表面設(shè)置金屬突出物和高折射率介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)光的高效率定向激發(fā)和耦合。改變金屬突出物與狹縫之間的距離，或者改變金屬表面的介質(zhì)環(huán)境，可以改變光在不同條件下的激發(fā)和傳輸

5、效率，最終實(shí)現(xiàn)定向傳輸。介質(zhì)層厚度Hd對金屬表面能流分布產(chǎn)生了一定的影響。不同介質(zhì)層的厚度會(huì)出現(xiàn)能流不同的分布，并且還會(huì)出現(xiàn)調(diào)制模式，因此，可以選取適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)層厚度，進(jìn)一步提高表面等離激元的傳播效率。
　　 (2)在上述研究的基礎(chǔ)上，我們引入不對稱的金屬微腔結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高SPPs的定向激發(fā)性能。金屬狹縫寬度的改變會(huì)影響SPPs的最佳激發(fā)效率，并且填充的介質(zhì)，導(dǎo)致SPPs波矢也會(huì)發(fā)生變化。為了更好的比較各不同結(jié)構(gòu)的最大激發(fā)效率，

6、通過計(jì)算，確定了每種結(jié)構(gòu)的最佳縫寬，使SPPs激發(fā)效率達(dá)到最大值。微腔的引入，可在狹縫中收集更多的光，使得更多的表面電磁波轉(zhuǎn)化成SPPs沿著金屬表面?zhèn)鞑?。值得注意的是，金屬狹縫出口面的表面電流密度和能流對于微腔的位置和寬度以及介質(zhì)層的厚度是非常敏感的，我們應(yīng)該慎重選擇。當(dāng)選取合適的微腔的位置和寬度以及介質(zhì)層時(shí)，金屬微腔會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)表面電流密度和能流都將達(dá)到最大值，最終提高SPPs傳播效率。這些結(jié)果為設(shè)計(jì)和制造緊湊型等離子體器件（例如