亞波長金屬光柵的共振吸收譜及其近場特性

王亞如，王正嶺，胡欣智，童唯揚

(江蘇大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

亞波長金屬光柵的共振吸收譜及其近場特性

王亞如，王正嶺，胡欣智，童唯揚

(江蘇大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

通過對亞波長金屬光柵的可見光波段的光譜特性及其近場強度分布進行研究，采用Comsol軟件仿真了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對光譜和強度分布的影響。研究結(jié)果表明，亞波長金屬光柵具有共振吸收譜，在吸收率峰值處，表現(xiàn)出亞波長金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元的駐波模式，并在適當(dāng)?shù)膮?shù)下，得到了一種暗中空光場模式，利用該暗中空光場模式可以實現(xiàn)基于亞波長光柵的原子囚禁與導(dǎo)引。研究結(jié)果為亞波長光柵的理論研究以及亞波長光柵器件研究的實用化提供了參考。

亞波長光柵；共振吸收譜；近場特性；空心光場

近年來，由于光刻技術(shù)和微加工技術(shù)的快速發(fā)展[1-5]，亞波長光柵逐漸引起廣泛關(guān)注。亞波長金屬光柵與普通光柵相比表現(xiàn)出許多新穎特性，可用于設(shè)計納米尺度光子器件[6-8]。文獻[9]提出了一種利用亞波長周期性金屬狹縫結(jié)構(gòu)來研究異常光吸收特性的方案[9]。文獻[10]提出了一種圓孔陣列金屬膜的亞波長光柵的可見光波段濾波器的方案[10]。文獻[11]提出了石英矩形凹槽光柵在Littrow入射條件下的偏振分束器的研究[11]。文獻[12]提出了一種利用亞波長金屬光柵來研究空間相干問題[12]。文獻[13]應(yīng)用亞波長光柵的模式特性與光柵衍射效率設(shè)計了一種偏振分束器[13]。本文研究了一維亞波長金屬光柵的透射譜、反射譜與吸收譜，分析了近場強度的空間分布情況，并討論了表面等離激元的空間耦合特性，提出了一種一維亞波長金屬光柵暗中空模式，為亞波長金屬光柵在微納米光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

1 亞波長金屬光柵的吸收譜

圖1是一維亞波長光柵的示意圖，圖2為圖1在x-y平面上的光柵橫截面。其中，d為縫寬(相鄰兩個金屬條之間的間隔)，w為金屬條寬度;h為矩形金屬條高度;光柵周期λg=d+w，波長為λ的入射光垂直入射到光柵表面。對于亞波長光柵，光柵常數(shù)λg小于波長λ。這里選取金屬光柵的周期λg=100 mm，襯底的高度H=4 μm，襯底的折射率n=1.46，金屬的材料為銀(Ag)，Ag的折射率隨入射光波長的變化數(shù)據(jù)可由固體光學(xué)常數(shù)手冊[14]中得到。

圖1 一維周期性亞波長光柵示意圖

圖2 一維周期性亞波長光柵橫截面示意圖

1.1 金屬高度h對吸收譜的影響

首先研究了金屬光柵的吸收譜，分析幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對吸收特性的影響。對于周期性結(jié)構(gòu)吸收譜可以通過Comsol軟件的S參數(shù)計算得到，吸收峰處的波長記為AW。下面討論金屬高度h對吸收譜的影響。

當(dāng)λg=100 mm，d=20 nm時，h分別選取30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm，100 nm時，所得到的吸收譜如圖3所示。

圖3 h值變化時，吸收譜與波長的關(guān)系

如圖3所示，當(dāng)其他參數(shù)不改變時，隨著金屬高度的增加，吸收峰值的波長AW發(fā)生明顯的紅移，h分別為30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm，100 nm時，吸收峰的波長分別為426 nm，432 nm，442 nm，456 nm，472 nm，488 nm，506 nm，524 nm，說明吸收峰處的波長為AW，隨著金屬高度的增大，大致呈線性紅移的趨勢，同時吸收率的最大值依次為35%，54%，75%，88%，86%，73%，59%和46%?？梢钥闯?，吸收率隨著金屬條高度的增加呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)h=60 nm時，吸收率最高，可達到88%，出現(xiàn)了共振特性。說明金屬的高度是產(chǎn)生和調(diào)控吸收率的主要參數(shù)。隨著金屬高度h的增大，吸收峰的寬度逐漸減小。

1.2 縫寬d對吸收譜的影響

為方便研究相鄰金屬條的間隔d變化時，吸收譜與波長的關(guān)系，選擇λg=100 nm，h=60 nm研究縫寬d的選擇對吸收譜的影響，當(dāng)d分別為10 nm，15 nm，20 nm，25 nm，30 nm，35 nm，40 nm，45 nm時，所得到的吸收譜如圖4所示，當(dāng)周期λg=100 nm,h=60 nm，d=20 nm時，吸收率最高。

圖4 d值變化時，吸收譜與波長的關(guān)系

如圖4 所示，當(dāng)其他參數(shù)不改變時，改變d的值時，隨著d值的增大，吸收峰值的波長 AW 發(fā)生明顯的藍移，當(dāng)d分別為10 nm，15 nm，20 nm，25 nm，30 nm，35 nm，40 nm，45 nm時，吸收峰的波長分別為 512 nm，476 nm， 456 nm，446 nm，438 nm，432 nm，430 nm，428 nm。說明吸收峰處的波長為 AW 隨著金屬高度的增大呈藍移的趨勢，同時吸收率的最大值分別為 77.9%，85.96%，87.86%，87.32%，85.31%，81.24%，76.242%，70.52%?？梢钥闯?，吸收率隨著d值的增大呈先增大后減小的趨勢，但是吸收率的改變量較小。當(dāng)d=20 nm時，吸收率最高，可達到88%。吸收峰的尖銳程度基本保持不變。

1.3 光柵周期λg對吸收譜的影響

為進一步研究光柵周期λg對吸收譜的影響，取金屬寬度為w=80 nm，金屬高度h=60 nm，改變周期λg，分別取值為90 nm，100 nm，110 nm，120 nm，130 nm，140 nm，150 nm，160 nm。所對應(yīng)的間隔 分別為10 nm，20 nm，30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm。得到不同周期時，吸收譜隨波長變化如圖5所示。

圖5 λg變化時，吸收譜與波長的關(guān)系

由圖5 的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w=80 nm，h=60 nm，改變光柵的周期λg時，當(dāng)λg=100 nm時，吸收率最高。從圖5可以看出，當(dāng)其他參數(shù)不改變時，改變λg的值時，隨著λg值的增加，吸收峰的波長AW發(fā)生明顯的藍移，當(dāng)λg分別為 90 nm，100 nm，110 nm，120 nm，130 nm，140 nm，150 nm，160 nm時，吸收峰的波長分別為510 nm，456 nm，438 nm，432 nm，406 nm，402 nm，402 nm，400 nm。說明吸收峰處的波長為AW隨著金屬高度的增大呈藍移的趨勢，同時吸收率的最大值分別為 79.05%， 87.86%，85.46%，81.08%，81.03%，82.69%，83.34%，82.76%。事實上，當(dāng)λg> 140 nm時，吸收峰處的波長將出現(xiàn)在紫外光區(qū)域，這里不作進一步討論。可以看出，吸收率隨著λg值的增加呈先增大后減小再增大的趨勢，但吸收率的改變量較小。當(dāng)λg=100 nm時，吸收率最高，可達到 88%。吸收峰的尖銳程度基本保持不變。

2 金屬光柵的光譜特性及強度分布

圖6 亞波長金屬光柵的可見光波段的光譜特性

上述研究結(jié)果表明，當(dāng)選定參數(shù)λg=100 nm時, 選取金屬寬度w=80 nm，縫寬d=20 nm時，吸收率可以達到共振值 88%。圖6 給出了λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm時的吸收譜，透射譜和反射譜以及相應(yīng)峰值處的表面的近場強度分布。

圖6中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)入射波長λ=456 nm時，此時吸收率最大，反射率最小，此時的反射率約為7%。透射率<5%，同時透射率在λ=456 nm附近突然出現(xiàn)了一個躍遷。當(dāng)λ>456 nm時，隨著波長的增大，透射率在逐漸增大，反射率先增大后減小，而吸收率逐漸趨為0。取圖6中結(jié)構(gòu)參數(shù)，在λ=456 nm時的近場耦合強度分布如圖7所示，吸收率最大時，近場耦合強度在相鄰兩個金屬條之間達到最大，出現(xiàn)了標準的駐波模式，這是由于光柵結(jié)構(gòu)的波矢與金屬的表面等離激元模式的波矢相匹配，形成了亞波長金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元駐波模式。

圖7 λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，λ=405 nm時的近場強度分布

如圖6所示，當(dāng)λ=405 nm時，透射率為0，吸收率為約35%，反射率約為65%。取圖6中的結(jié)構(gòu)參數(shù)λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，圖8給出了當(dāng)λ=405 nm時的近場強度分布。

圖8 λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，λ=405 nm時的近場強度分布

如圖8所示，由于比標準的表面等離激元駐波模式的激發(fā)波長短，表面等離激元駐波模式部分演化成局域表面等離激元模式，并耦合形成了一種特殊的暗中空光場模式，此時光束中心強度為0。分析表明，只有在特定入射波長下，亞波長光柵才可以形成暗中空光場模式，同時要滿足透射率為0，反射率不為0的條件。

圖9是5個周期的強度分布圖。很明顯，周期性金屬光柵表面形成了封閉的周期性暗中空光場截面，其中心強度為0，四周形成了環(huán)狀的強度分布。根據(jù)文獻[15]中利用暗中空光場實現(xiàn)原子的囚禁與操控的原理方法，可以利用此亞波長光柵實現(xiàn)對原子的囚禁與導(dǎo)引。在這個方案中，超冷原子可以囚禁導(dǎo)引在暗空心區(qū)，使得原子產(chǎn)生最小的光移動勢和最低的自發(fā)輻射損失，有著最長的原子壽命。

圖9 λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，λ=405 nm時5個周期的近場強度分布

3 結(jié)束語

本文采用Comsol多物理場耦合軟件，對亞波長金屬光柵的可見光波段的光譜特性進行研究分析，研究了光柵幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(金屬高度h，縫寬d，周期λg)對吸收譜的影響。發(fā)現(xiàn)亞波長金屬光柵具有最大吸收率，并研究了最大吸收率情況下的光譜特性及其強度分布。發(fā)現(xiàn)在吸收率峰值處，近場耦合強度在相鄰兩個金屬條之間達到最大，出現(xiàn)了標準的駐波模式，這是由于光柵結(jié)構(gòu)的波矢與金屬的表面等離激元模式的波矢相匹配，形成了亞波長金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元駐波模式。選取適當(dāng)參數(shù)時，發(fā)現(xiàn)在透射率為0、反射率和吸收率不為0的情況下，得到暗中空光場模式?？梢岳迷摪抵锌展鈭瞿Ｊ綄崿F(xiàn)亞波長光柵的原子囚禁與導(dǎo)引。研究結(jié)果為亞波長光柵的理論研究，以及亞波長光柵器件研究的實用化提供了參考。

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Resonant Absorption Spectrum and Near Field Characteristics of Subwavelength Metallic Gratings

WANG Yaru,WANG Zhengling,HU Xinzhi,TONG Weiyang

(School of Science, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In this paper, the spectral characteristics and the near field intensity distribution of the visible band of the subwavelength metallic grating are studied, Influence of structural parameters on the spectrum and intensity distribution are studied by using the COMSOL multi physical field coupling method. It is found that the subwavelength metallic grating has the resonance absorption spectrum, at the peak of absorption rate, it exhibits a standing wave pattern of surface plasmons. By choosing appropriate structure parameters, a dark hollow mode is obtained, and it can be used to realize atomic trapping and guiding based on the subwavelength grating. Our result has a certain reference significance for the theory research and the application of the subwavelength grating.

subwavelength grating; the resonance absorption spectrum; the near field characteristics; dark hollow mode

2016- 05- 27

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目 (BK2011462)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大基金資助項目(15KJA140001)

王亞如(1988-)，女，碩士研究生。研究方向：微納米光學(xué)等。王正嶺(1971-)，男，博士，教授。研究方向：微納米光學(xué)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.030

TN29;O433

A

1007-7820(2017)04-119-04