鍍銀介質(zhì)納米圓柱光柵的吸收特性

陳黎輝，王紀(jì)俊，胡欣智，王正嶺

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

鍍銀介質(zhì)納米圓柱光柵的吸收特性

陳黎輝，王紀(jì)俊，胡欣智，王正嶺

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

文中提出一種鍍銀介質(zhì)納米圓柱光柵并分析其近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)特性。利用有限元方法研究鍍銀介質(zhì)納米圓柱光柵的表面等離子激元特性及反射譜、透射譜與吸收譜之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，吸收峰位置及對(duì)應(yīng)吸收值隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而發(fā)生變化。當(dāng)鍍銀層外半徑d1=230 nm，內(nèi)半徑d2=226 nm，周期d=500 nm時(shí)，取得吸收譜最大值59.5%。在同一結(jié)構(gòu)參數(shù)下，吸收峰位置也會(huì)隨著外部介質(zhì)折射率的改變而變化。研究結(jié)果可以設(shè)計(jì)一種新型介質(zhì)折射率檢測(cè)器，這為亞波長(zhǎng)光柵器件研究的實(shí)用化提供了參考。

鍍銀介質(zhì)；納米圓柱光柵；表面等離子激元；吸收譜

隨著微納制作加工技術(shù)的不斷成熟，對(duì)于亞波長(zhǎng)光柵的研究吸引了大量的關(guān)注。利用亞波長(zhǎng)光柵的獨(dú)特特性，人們研制出各種亞波長(zhǎng)光柵，如超寬帶高反射率的反射鏡、分束器、亞波長(zhǎng)聚焦鏡、透射光柵等等[1-12]。最早，Ebbesen等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)光入射到亞波長(zhǎng)正方形圓孔上時(shí)，其透射率大于一般透射公式的結(jié)果約40倍[13]。同年，Ghaemi等人認(rèn)為異常透射現(xiàn)象的原因是由于表面等離子激元[14]。后來，Liu等人研究的結(jié)果表明，這是由于在金屬方形孔陣列上，金屬表面產(chǎn)生的消逝波導(dǎo)致的[15]。目前，人們對(duì)于亞波長(zhǎng)光柵的研究大多集中在純介質(zhì)和純金屬光柵，且截面多為矩型，少有對(duì)截面為圓柱型，且具有金屬鍍層介質(zhì)光柵的研究。本文在亞波長(zhǎng)光柵研究的基礎(chǔ)上，提出了一種鍍銀介質(zhì)納米圓柱光柵方案，并采用有限元方法研究其透射譜、反射譜與吸收譜，并討論結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸收峰位置的關(guān)系。

1 金屬圓柱光柵結(jié)構(gòu)的光譜特性

鍍銀介質(zhì)圓柱光柵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的同心圓表示的是光柵單元。其中，深色的內(nèi)圓柱部分表示的是圓柱介質(zhì)材料，其折射率為n2，圓柱介質(zhì)材料的半徑為d2。灰色的環(huán)狀部分表示的是圓柱外的金屬鍍銀層，金屬鍍銀層的厚度為Δd=d1-d2，金屬圓柱沿x方向以兩金屬圓柱距離為d周期性排列之后得到金屬圓柱光柵。圓柱之外的部分表示外層介質(zhì)，其折射率用n0表示。

圖1 鍍銀介質(zhì)圓柱光柵的橫截面示意圖

在有限元方法模擬中，銀的材料參數(shù)由Lorentz-Drude模型來確定，圓柱介質(zhì)材料為SiO2(n2=1.47),外層的介質(zhì)材料為空氣(n0=1)，入射波沿z軸正方向入射。為了能夠更好地研究該結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)光學(xué)性質(zhì)，入射波取為橫電磁(TM)波，入射波長(zhǎng)范圍為550～1 000 nm。在模擬中，將圖1中的結(jié)構(gòu)兩邊設(shè)置為周期性邊界。經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)d，d1，d2的調(diào)試，其優(yōu)化的反射譜、透射譜與吸收譜如圖2所示。圖2中的結(jié)構(gòu)參數(shù)為d=500 nm，d1=230 nm，d2=226 nm，此時(shí)金屬圓柱光柵的吸收峰值最高。

圖2 銀納米圓柱光柵的入射譜、反射譜與吸收譜

由圖2可知，該結(jié)構(gòu)的反射率很低，在研究的波長(zhǎng)范圍內(nèi)其反射率低于15%，只有在640 nm處達(dá)到反射率的最大值17.2%。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的透射率整體上隨著入射波長(zhǎng)的增加而提高，但在入射波長(zhǎng)為640 nm處，其透射率突然下降到27.3%。而吸收率也在入射波長(zhǎng)為640 nm時(shí)達(dá)到峰值59.5%。

圖3 不同入射波長(zhǎng)下銀納米管光柵磁場(chǎng)歸一化強(qiáng)度分布圖

圖3中為金屬圓柱光柵的歸一化磁場(chǎng)強(qiáng)度隨不同入射波長(zhǎng)的近場(chǎng)分布圖，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為d1=230 nm，d2=226 nm，d=500 nm，材料參數(shù)為n0=1，n2=1.47。圖3中圓圈表示圓柱的位置，由圖可知，當(dāng)特定波長(zhǎng)的TM偏振光入射到金屬圓柱表面時(shí)，在金屬圓柱光柵的表面形成局域表面等離子激元(LSP)，當(dāng)相鄰的兩個(gè)金屬圓柱的LSP靠近時(shí)會(huì)發(fā)生耦合，從而在兩個(gè)銀納米圓柱之間形成相應(yīng)的耦合模式。與此同時(shí)，金屬圓柱內(nèi)的介質(zhì)圓柱部分也形成了一種駐波模式。圖3(c)表明當(dāng)入射波長(zhǎng)為640 nm時(shí)，產(chǎn)生了最大的共振吸收率59.5%，此時(shí)圖中金屬圓柱內(nèi)的駐波模式和兩個(gè)金屬圓柱間的耦合吸收模式的強(qiáng)度幾乎相等。

隨著入射波長(zhǎng)的變化，金屬圓柱間的局域表面等離子激元耦合模式和金屬圓柱內(nèi)的駐波模式同時(shí)發(fā)生了變化，從而使吸收率改變。如圖3(b)所示，入射波長(zhǎng)減少至636 nm，而此時(shí)的吸收率僅為43.1%。當(dāng)入射波長(zhǎng)繼續(xù)變化，圖3(a)中的入射波長(zhǎng)為622 nm，此時(shí)對(duì)應(yīng)吸收率為20.1%。與此同時(shí)，圖3(d)的入射波長(zhǎng)為644 nm，而此時(shí)的吸收率為46.7%，圖3(e)中的入射波長(zhǎng)為656 nm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的吸收率為19.7%。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在入射波長(zhǎng)為622 nm時(shí)，耦合模式遠(yuǎn)強(qiáng)于駐波模式。但隨著入射波長(zhǎng)的增大，耦合模式強(qiáng)度不斷降低，駐波模式強(qiáng)度不斷增高，使得共振吸收的值不斷增高。在入射波長(zhǎng)為640 nm時(shí)，駐波模式強(qiáng)度和耦合模式的強(qiáng)度幾乎一致，從而使吸收率達(dá)到最大值59.5%。之后，隨著耦合模式的不斷降低和駐波模式強(qiáng)度的不斷升高，使得吸收率不斷地降低，直至吸收峰消失。

2 吸收峰與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

在改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，可以對(duì)吸收峰的大小和位置產(chǎn)生影響。為了考慮金屬圓柱光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于共振吸收的影響，下面改變d1或d2的值并進(jìn)行討論。 圖4(a)表明，在保持d2=226 nm，d=500 nm不變，入射為TM波時(shí)，在不同d1的情況下，共振波長(zhǎng)隨d1的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著d1的增加，共振波長(zhǎng)逐漸增加。到d1=239 nm處共振波長(zhǎng)達(dá)到最大值647nm，之后逐漸降低。從圖4(b)中可以看出，在保持d2=226 nm，d=500 nm不變，入射為TM波時(shí)，在不同d1的情況下，吸收率隨d1的變化關(guān)系。吸收率在d1=230 nm處達(dá)到最大值59.5%，隨著d1的逐漸增大，吸收率在d1=239 nm處達(dá)到最小值，此時(shí)的吸收率為46.8%，之后吸收率隨著d1的增加逐漸增高。圖4(c)和圖4(d)表明，在保持d1=230 nm，d=250 nm不變的情況下，共振波長(zhǎng)及入射光吸收率隨d2的變化關(guān)系。從圖4(c)中可以看出，隨著d2的增加，共振波長(zhǎng)在d2=224 nm時(shí)取得最大值642 nm，之后隨著d2的增加，共振波長(zhǎng)逐漸降低。從圖4(d)可以看出，吸收率在d2=226 nm時(shí)達(dá)到最大值59.3%，在d2=217 nm時(shí)達(dá)到極小值45.4%。

圖4 吸收峰與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系的示意圖

圖5 吸收率及吸收峰位置隨n0的變化關(guān)系

吸收峰隨著外部介質(zhì)折射率的變化也不斷變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為d1=230 nm，d2=226 nm，d=500 nm，n2=1.47時(shí)，圖5(a)表明了吸收率隨外部材料折射率的變化關(guān)系。從圖5(a)可以看出，隨著n0的不斷升高，吸收峰處的吸收率不斷降低。當(dāng)n0=1時(shí)，吸收率達(dá)到最大值59.5%，之后隨著n0的增加，吸收峰處的吸收率不斷降低。當(dāng)n0=1.25時(shí)，吸收率降至14.4%，之后吸收峰消失，與此同時(shí)，吸收峰的位置隨著n0的增加而線性變化，如圖5(b)所示。從n0=1時(shí)的640 nm逐步增加到n0=1.25時(shí)的682.5 nm，這是由于外部折射率發(fā)生了變化，從而使得金屬圓柱間的表面等離子激元耦合模式發(fā)生變化，使得耦合模式和金屬圓柱內(nèi)的駐波模式強(qiáng)度不再保持平衡，導(dǎo)致吸收率降低。以此為基礎(chǔ)，可以利用銀納米圓柱光柵設(shè)計(jì)一種介質(zhì)折射率檢測(cè)器。通過檢測(cè)浸潤(rùn)在介質(zhì)中的銀納米圓柱光柵的吸收峰位置，就可以根據(jù)圖5(b)得到該介質(zhì)的折射率。

3 結(jié)束語

本文利用有限元法研究了在TM波入射情況下的亞波長(zhǎng)鍍銀介質(zhì)圓柱光柵的光學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，該光柵在特定的入射波長(zhǎng)處可以達(dá)到較高的共振吸收，并且吸收峰位置及對(duì)應(yīng)吸收值隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而發(fā)生變化。當(dāng)鍍銀層外半徑d1=230 nm，內(nèi)半徑d2=226 nm，周期d=500 nm時(shí)，取得吸收率最大值59.5%。這可以通過金屬圓柱間的局域表面等離子激元耦合模式和金屬圓柱內(nèi)的駐波模式兩者強(qiáng)度的相對(duì)關(guān)系來解釋。與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的吸收率對(duì)于銀層的厚度變化非常敏感，吸收峰也會(huì)隨著外部介質(zhì)折射率的變化而變化，以此為基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)一種新型介質(zhì)折射率檢測(cè)器。

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Absorption Properties of Nanometer Silver Cylinder Grating

CHEN Lihui , WANG Jijun, HU Xinzhi, WANG Zhengling

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

A silver cylinder grating has been proposed and the properties of the near or far field have been studied. The surface plasmon of the grating has been investigated by FEM, and the reflection, transmission and absorption spectrum have been also investigated. The result shows that the wavelength of highest absorption varies with different structure parameters. The maximum absorption of 59.5% has been obtained whend1=230 nm，d2=226 nm，d=500 nm. Meanwhile, the wavelength of highest absorption varies with different media around the silver cylinder grating with the same structure parameters. The result can be used to design a new detector of refractive index that has some potential application in subwavelength grating.

silver cylinder；nano grating；surface plasmon；absorption spectrum

2017- 03- 27

江蘇省自然科學(xué)基金 (BK20161342)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大基金(15KJA140001)；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才(GDZB-018)

陳黎輝(1983-)，男，碩士研究生。研究方向：光電子和光學(xué)超材料。王紀(jì)俊(1966-)，男，博士，教授。研究方向：光電子理論和器件等。

TN012

A

1007-7820(2018)02-040-04