亞波長金屬光柵的聚焦特性的應(yīng)用分析

王巧霞 李娣娜 宋蓓

摘 要：隨著科技的快速發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)器件對微型化和集成化的需求不斷提高。亞波長金屬光柵是指光柵的周期小于入射波長，能夠突破衍射極限，其具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易集成等特點(diǎn)。介紹了光柵激發(fā)表面等離子體模式相關(guān)理論，分析了金屬納米狹縫光柵對光路進(jìn)行有效調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)光束的聚焦。在與光波相互作用中亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出許多新穎的效應(yīng)，其中聚焦特性可應(yīng)用于超分辨成像、生物傳感、納米激光器等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：亞波長金屬光柵;表面等離子體激元;衍射極限

中圖分類號：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.06.092

0 引言

1902年，Wood在研究金屬光柵的光譜實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反射光譜存在缺級的異常現(xiàn)象，其實(shí)這是最早與表面等離子體激元（Surface plasmon polaritons， SPPs）有關(guān)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時人們對其本質(zhì)并不清楚。直到1941年，F(xiàn)ano 等人根據(jù)金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)解釋了Wood的異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。1957年， Ritchie在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電子在穿過金屬薄膜時會發(fā)生“能量吸收峰”現(xiàn)象，他通過計(jì)算解釋了這種現(xiàn)象的成因，并第一次提出了“等離子體激元”這一概念。1998年，Ebbesen小組發(fā)現(xiàn)光在通過金屬薄膜上二維亞波長孔徑陣列時，光強(qiáng)遠(yuǎn)高于按照經(jīng)典衍射理論所計(jì)算的結(jié)果，這種超透射現(xiàn)象是因?yàn)榻饘倏讖疥嚵幸鸬谋砻娴入x子體激元增強(qiáng)效應(yīng)。表面等離子體激元是由入射光子引起金屬表面自由電子共振而產(chǎn)生沿金屬表面?zhèn)鞑サ慕饘匐娮邮杳懿?。它是存在于金屬表面的一種非輻射局域電磁模式，其具有表面局域和近場增強(qiáng)的特性。隨著納米加工技術(shù)的日趨成熟，通過金屬表面的結(jié)構(gòu)來改變表面等離子體激元的特性，成為研制新型光子學(xué)器件的新途徑。

1 金屬光柵耦合理論

表面等離子體激元是金屬-介質(zhì)界面的傳播的電磁波，其規(guī)律服從麥克斯韋方程組結(jié)合邊界條件，可以解出TM偏振光波下SPPs在界面上的色散關(guān)系為ksp=k0 ε1ε2ε1+ε2SymboleA@ 2）。研究表明：一方面只有用TM波照射金屬-介質(zhì)界面時，SPPs才能被激發(fā);另一方面相同頻率情況下，SPPs的波矢量要大于自由空間中光子的波矢量，即在光滑的金屬表面上不能用入射光直接照射的方式激發(fā)SPPs。所以 SPPs的激發(fā)需要特定的條件，其激發(fā)方式主要由棱鏡耦合、光柵耦合以及近場激發(fā)等方式。

光柵耦合利用光柵結(jié)構(gòu)的衍射光引入一個額外的波矢量的增量kg就可以實(shí)現(xiàn)入射光與SPPs波矢量的匹配。如圖1所示在金屬薄膜表面部分區(qū)域?qū)懭胙苌涔鈻牛?dāng)入射電磁波到達(dá)光柵表面時，其動量水平分量發(fā)生改變，橫向波矢量kx=ksinθ +kg=ksinθ+2nπ/D（θ為入射角），當(dāng)滿足kx=kSP條件時就會激發(fā)SPPs波?？傊?，入射光波的衍射場進(jìn)行傅里葉分解包含有各個大小的分量，那些大于真空中波矢量的成分多數(shù)都不能向前傳播很快衰減;只有滿足SPPs波矢量條件的能激發(fā)SPPs波而發(fā)生能量轉(zhuǎn)換。

目前常用于SPPs激發(fā)的光柵結(jié)構(gòu)包括狹縫光柵、凹槽光柵、啁啾光柵、孔徑陣列結(jié)構(gòu)以及各種形狀的顆粒陣列。

2 金屬納米狹縫光柵聚焦調(diào)控

傳統(tǒng)光學(xué)透鏡通過彎曲表面具有折射率對比產(chǎn)生光的折射從而實(shí)現(xiàn)光束整形，類似地由于金屬光柵結(jié)構(gòu)的材料與幾何外形等參數(shù)都可以自由設(shè)定，因而對光路進(jìn)行有效調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)光束的聚焦。

入射光照到金屬狹縫時，由于狹縫的寬度遠(yuǎn)小于入射波長，出射狹縫可以看作新的點(diǎn)波源，不同長度狹縫對光波的位相改變不同。在金屬膜上刻有等間隔的納米狹縫光柵，當(dāng)縫長按照從中間向兩邊依次遞減，使狹縫陣列端口形成內(nèi)凹，如圖2所示該金屬結(jié)構(gòu)光束聚焦明顯。與介質(zhì)透鏡比較，金屬納米縫陣列沒有因?yàn)楣庠趶澢砻嬲凵浜腿瓷涠鹉芰繐p耗，可看做純相位元件。利用金屬狹縫陣列負(fù)折射性質(zhì)和相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)波前塑形，還可以調(diào)控金屬狹縫光柵的縫寬、縫深以及狹縫的間距等。

3 SPPs聚焦特性的應(yīng)用

3.1 超分辨成像

傳統(tǒng)光學(xué)成像始終受限于衍射極限，導(dǎo)致光學(xué)成像分辨率只有入射光波長的二分之一。因?yàn)閿y帶高于衍射極限信息的波矢量大于光在自由空間的波矢量，使得這部分光只能以倏逝場的形式傳播，無法將信息傳遞到像平面，導(dǎo)致物體精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的丟失。借助金屬納米光柵結(jié)構(gòu)負(fù)折射性質(zhì)可將倏逝場成指數(shù)增加，從而實(shí)現(xiàn)金屬透鏡的超分辨成像。利用SPPs超分辨成像的光刻技術(shù)，使光子器件的尺寸達(dá)到亞波長級，可以與電子器件相匹配連成光電集成回路，光電集成在信息傳輸過程中具有速度快，容量大，損耗小等特點(diǎn)。

3.2 生物傳感

在光纖纖芯內(nèi)寫入長周期光柵，將芯內(nèi)的模式在某一特定波長轉(zhuǎn)化成包層高階模，使高階模與等離子體的相位實(shí)現(xiàn)匹配，可以把消逝波轉(zhuǎn)換為傳輸波，從而把物體的亞波長信息傳送到遠(yuǎn)場，實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的放大成像。表面等離子體成像技術(shù)能直觀、實(shí)時地監(jiān)測分子相互作用的動力學(xué)過程，如DNA雜交，蛋白質(zhì)分子相互作用分析等?；赟PPs的傳感器具有靈敏度高，速度快，清晰度高等特點(diǎn)，在化工化學(xué)、生物醫(yī)療和環(huán)境檢測等方面有巨大的應(yīng)用價值。

3.3 納米激光器

在半導(dǎo)體激光器的出射面上制作金屬微納光柵，電子空穴對（激子）被外界能量泵浦激發(fā)后，在激子能級躍遷的復(fù)合過程中，靠近金屬表面的電子躍遷更多地耦合成表面等離子體激元，產(chǎn)生相干強(qiáng)沒有輻射損耗的光子，可以直接對激光器發(fā)出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直與整形，使光的發(fā)散度大大降低。由于該模式耦合成為SPPs的自發(fā)輻射，沒有向外界輻射光子，因此可以提供噪聲很小的光學(xué)放大和較大的損耗補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)可將光壓縮為二維表面等離子波，近場區(qū)域的倏逝波匯聚而增強(qiáng)的特性和突破衍射極限的超聚焦技術(shù)，使得有關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的表面等離子體的研究備受關(guān)注。如何利用SPPs設(shè)計(jì)新型高效的納米光子學(xué)器件和如何降低SPPs波導(dǎo)傳輸損耗是未來需要深入研究的課題。隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，SPPs在高密度存儲、新型光源和能源、亞波長光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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