電介質(zhì)微球和金屬平面納米層增強(qiáng)熒光遠(yuǎn)場(chǎng)定向發(fā)射*

郭付周 陳智輝? 馮光 王曉偉 費(fèi)宏明 孫非 楊毅彪

1) (太原理工大學(xué),新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

2) (太原理工大學(xué),物理與光電工程學(xué)院,太原 030024)

本文提出了一種由電介質(zhì)微球和金屬平面納米層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),用于增強(qiáng)熒光遠(yuǎn)場(chǎng)定向發(fā)射強(qiáng)度和提高熒光收集效率.通過時(shí)域有限差分法研究了位于電介質(zhì)微球和金層之間量子點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射過程.量子點(diǎn)作為熒光材料涂敷于聚甲基丙烯酸甲酯中,用于控制和金層的距離從而調(diào)控?zé)晒庠鰪?qiáng).該結(jié)構(gòu)基于等離激元耦合、回音壁模式以及光子納米射流之間的協(xié)同效應(yīng),使遠(yuǎn)場(chǎng)熒光強(qiáng)度增強(qiáng)230 倍,熒光收集效率高達(dá)70%.與電介質(zhì)微球和金球二聚體復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)熒光相比,金球二聚體之間的間距不易控制,此外量子點(diǎn)要放在金球之間特定的位置.而本文提出的三維平面復(fù)合納米結(jié)構(gòu)相對(duì)更方便實(shí)現(xiàn).以上結(jié)果在提高熒光生物檢測(cè)靈敏度、成像質(zhì)量以及發(fā)光器件效率等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用意義.

1 引言

熒光物質(zhì)、熒光染料或量子點(diǎn)在外界電磁輻射激勵(lì)情況下,一般會(huì)發(fā)射出比激發(fā)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光.熒光發(fā)射最顯著的特征在于其全空間的輻射特性,熒光發(fā)射器能夠在分子或原子尺度上與目標(biāo)物質(zhì)相互作用.目前基于分子熒光的測(cè)量和設(shè)備在生物學(xué)[1-3]、化學(xué)[4,5]、光子學(xué)[6,7]和醫(yī)學(xué)[8,9]等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛.然而熒光物質(zhì)的本征發(fā)射太弱,在低濃度下很難檢測(cè)到熒光信號(hào);此外其全方向輻射特性給熒光信號(hào)的收集效率也帶來了進(jìn)一步的挑戰(zhàn),這兩個(gè)問題限制了熒光檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用.因此,提高熒光強(qiáng)度和收集效率是亟需解決的兩個(gè)問題.回顧之前相關(guān)的研究提出了許多結(jié)構(gòu),如光子晶體結(jié)構(gòu)[10-12]、超材料納米結(jié)構(gòu)[13,14]、共振波導(dǎo)光柵[15-17],通過調(diào)節(jié)激發(fā)和熒光場(chǎng)來增強(qiáng)熒光.然而這些結(jié)構(gòu)需要先進(jìn)而復(fù)雜的納米制造技術(shù)和精細(xì)的設(shè)計(jì)[18,19].近年來,平面等離子體納米結(jié)構(gòu)在熒光增強(qiáng)方面受到越來越多研究者的關(guān)注.2012 年,Choudhury 等[20]提出了金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)可以調(diào)控?zé)晒廨椛涮匦?并將熒光引導(dǎo)到一個(gè)狹窄的光束中,提高了熒光的收集效率,同時(shí)能對(duì)發(fā)射方向進(jìn)行更大的控制.2014 年,Yan 等[21]利用ZnO 薄層狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了10 倍的紫外光致發(fā)光增強(qiáng).2017 年,Sepideh 等[22]提出了一種Ag-TPBi-Ag 平面等離子體結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)3 倍熒光發(fā)射的能力.2019 年,Nyman 等[23]提出了一種使遠(yuǎn)場(chǎng)熒光增強(qiáng)達(dá)到120 倍的平面納米結(jié)構(gòu).以上研究者所提出的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熒光增強(qiáng)因子或熒光收集效率的提高,熒光增強(qiáng)和收集效率的提高有助于熒光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.

本文提出了一個(gè)新的平面納米結(jié)構(gòu),用以研究熒光物質(zhì)的遠(yuǎn)場(chǎng)熒光增強(qiáng)和輻射方向.眾所周知,金屬納米結(jié)構(gòu)和透明電介質(zhì)微球是兩種很有前途的熒光增強(qiáng)材料.金屬基于表面等離子體共振效應(yīng)[24-26]能夠調(diào)節(jié)熒光物質(zhì)的輻射和非輻射衰減速率,并且可以通過磁控濺射和旋涂的方法來制備,易控制且可重復(fù)性強(qiáng).自從2004 年,Chen 等[27]第一次發(fā)現(xiàn)入射光照射電介質(zhì)微球可以在微球的背側(cè)面產(chǎn)生光子納米噴射現(xiàn)象后,越來越多的研究者關(guān)注光子納米噴射的產(chǎn)生機(jī)理及特點(diǎn)[28-33],電介質(zhì)微球像透鏡一樣可以會(huì)聚光場(chǎng),提高局域能量密度從而增強(qiáng)熒光.因此,為了將二者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)由電介質(zhì)微球、摻雜有量子點(diǎn)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)層、金層以及玻璃基底構(gòu)成的平面復(fù)合納米結(jié)構(gòu),用于增強(qiáng)熒光和提高熒光收集效率.研究了微球半徑、折射率和量子點(diǎn)位置對(duì)熒光定向增強(qiáng)的影響.

2 模型與方法

時(shí)域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)[34,35]是研究熒光與結(jié)構(gòu)相互作用的常用方法.本文提出的是三維平面復(fù)合納米結(jié)構(gòu).在研究熒光發(fā)射過程中,其仿真區(qū)域設(shè)置為(x,y,z)=(—3∶3,—3∶3,0∶14) μm,離散化后的空間網(wǎng)格尺寸為10 nm 或更小,以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性.在x,y,z方向上設(shè)置完美匹配層條件用于吸收所有到達(dá)邊界上的光,沒有反射光影響結(jié)果.x-y面功率監(jiān)視器位于z=9 μm 處,用于探測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)熒光功率.遠(yuǎn)場(chǎng)功率表示功率監(jiān)視器在離光源遠(yuǎn)場(chǎng)范圍(遠(yuǎn)超過一個(gè)波長(zhǎng)距離)內(nèi)收集的發(fā)射功率.x-y面功率監(jiān)視器收集功率的范圍是6 μm × 6 μm.在z=9 μm,y=0 μm 和x=0 μm 位置處放置3 個(gè)電場(chǎng)監(jiān)視器分別覆蓋x-y,x-z和y-z面的整個(gè)模擬區(qū)域用以計(jì)算空間電場(chǎng)分布.計(jì)算收集效率時(shí),在FDTD 仿真區(qū)域內(nèi)采用由6 個(gè)面功率監(jiān)視器圍成的立方體功率監(jiān)視器分析組來計(jì)算發(fā)光功率,該功率分析組范圍是(x,y,z)=(—3∶3,—3∶3,0∶9) μm.在本研究中,電偶極子光源的波長(zhǎng)范圍是560—620 nm,在碲化鎘[36]量子點(diǎn)的熒光發(fā)射譜范圍內(nèi).結(jié)構(gòu)的三維示意圖及其側(cè)視圖如圖1(a)—(d)所示,側(cè)視圖坐標(biāo)原點(diǎn)位置A已在圖中標(biāo)出,金層的厚度d=200 nm,PMMA 層的厚度d1=400 nm,玻璃的厚度為500 nm,電介質(zhì)微球的半徑R和折射率n是可變的,同時(shí)層狀結(jié)構(gòu)的寬度與電介質(zhì)微球的直徑相同.此外,圖1(b)—(d)中3 個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖依次命名為gp,ga 和gs.背景折射率nb=1,金和玻璃的折射率來源于Johnson &Christy[37]和Palik[38]參數(shù)的插值擬合.為研究PMMA 層中量子點(diǎn)與結(jié)構(gòu)相互作用的物理機(jī)制,我們首先研究單個(gè)量子點(diǎn)與結(jié)構(gòu)相互作用,從而簡(jiǎn)化研究過程.

圖1 電介質(zhì)微球(灰色球)和金屬平面納米層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu) (a) 三維結(jié)構(gòu)示意圖;(b)—(d) 結(jié)構(gòu)gp,ga,gs 的側(cè)視圖,QD 代表量子點(diǎn)Fig.1.Composite structure composed of dielectric microsphere (the gray ball) and metallic planar nanolayers: (a) 3D schematic diagram of the structures;(b)—(d) the side views of the structures of gp,ga,gs in order,QD stands for quantum dot.

電介質(zhì)微球和金屬平面納米層對(duì)單個(gè)量子點(diǎn)發(fā)光的增強(qiáng)可以由表面增強(qiáng)熒光理論來研究.根據(jù)表面增強(qiáng)熒光理論,熒光增強(qiáng)ξ的表達(dá)式為[39]

其中γex,γem和q分別是等離子體結(jié)構(gòu)附近的激發(fā)速率、發(fā)射速率和量子產(chǎn)率.在激發(fā)過程中,熒光激發(fā)率表示為

式中,|Eloc|指電介質(zhì)微球和金屬納米層存在時(shí)量子點(diǎn)位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度;|E0|是僅處于PMMA 背景中且沒有電介質(zhì)微球和金屬層存在時(shí),量子點(diǎn)位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度.本文先研究量子點(diǎn)的發(fā)射過程,再研究其激發(fā)過程.

3 結(jié)果和討論

在發(fā)射過程中,量子點(diǎn)在均勻介質(zhì)中的發(fā)光是各向同性的.因此在理論分析時(shí)通常選取幾個(gè)特殊的偏振態(tài)進(jìn)行研究.首先研究了量子點(diǎn)處于x,y,z偏振態(tài)時(shí),復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)量子點(diǎn)熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響.選擇尺寸R=1 μm,n=1.68 的乳膠電介質(zhì)微球和金屬平面納米層結(jié)構(gòu)進(jìn)行FDTD 仿真計(jì)算,量子點(diǎn)的位置選為(0,0,0.78) μm,得到了熒光在不同偏振態(tài)條件下與結(jié)構(gòu)耦合時(shí)的熒光發(fā)射功率增強(qiáng)曲線.從圖2(a)所示的功率曲線可以發(fā)現(xiàn):z偏振態(tài)下量子點(diǎn)的熒光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射功率較小且其曲線無明顯變化,表明z偏振態(tài)下的量子點(diǎn)熒光發(fā)射與該結(jié)構(gòu)相互作用很弱.相比于z偏振態(tài)下的量子點(diǎn),x和y偏振態(tài)的遠(yuǎn)場(chǎng)熒光發(fā)射功率更大,可以實(shí)現(xiàn)較高的熒光發(fā)射增強(qiáng),并且有明顯的熒光發(fā)射峰.因?yàn)樵趚和y偏振態(tài)下,熒光發(fā)射方向與平面層狀結(jié)構(gòu)垂直,金層能夠與量子點(diǎn)發(fā)射的熒光形成表面等離激元,從而產(chǎn)生局部熱點(diǎn)并能夠調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的輻射和非輻射速率,量子點(diǎn)發(fā)射的熒光通過電介質(zhì)微球會(huì)聚放大和產(chǎn)生納米噴射現(xiàn)象并在空氣中傳播.值得注意的是x和y偏振態(tài)下的遠(yuǎn)場(chǎng)熒光功率譜完全一致,這是因?yàn)槲覀兲岢龅氖菍?duì)稱性的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致x和y偏振態(tài)下的量子點(diǎn)與結(jié)構(gòu)相互作用的效果相同,從而反映為相同的功率曲線圖.

圖2 (a) 不同偏振態(tài)下偶極子光源的功率曲線;(b)—(d) 依次為x,y,z 偏振態(tài)下的偶極子光源在中心波長(zhǎng)590 nm 處的俯視和橫截面電場(chǎng)分布圖Fig.2.(a) Power curves of quantum dots in different polarization states;(b)—(d) top-view and cross-sectional electric field profiles of the dipole light source at the center wavelength of 590 nm under the x,y,z polarization states in turn,respectively.

為進(jìn)一步分析和解釋結(jié)構(gòu)與不同偏振態(tài)下的量子點(diǎn)相互作用的物理機(jī)制,以量子點(diǎn)發(fā)射熒光的中心波長(zhǎng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算,得到了中心波長(zhǎng)為590 nm 處不同偏振態(tài)下的x-y面和x-z面電場(chǎng)分布圖,結(jié)果如圖2(b)—(d)所示.從其電場(chǎng)圖可以看出,偶極子光源在x和y偏振態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)熒光定向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射增強(qiáng),并且其電場(chǎng)俯視圖一致.通過分析功率曲線圖(圖2(a))可以得到,當(dāng)量子點(diǎn)熒光發(fā)射方向垂直于微球平面層狀結(jié)構(gòu)時(shí),該結(jié)構(gòu)與發(fā)射的熒光耦合,從而實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)發(fā)射熒光的定向增強(qiáng),并且在x和y偏振態(tài)下得到明顯的熒光增強(qiáng)效果.因此,后面選擇x偏振態(tài)的電偶極子光源進(jìn)行研究分析.

為提高量子點(diǎn)熒光定向發(fā)射強(qiáng)度以及遠(yuǎn)場(chǎng)熒光的收集效率,將研究3 個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu).參考結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,在玻璃基板上涂覆400 nm 厚的PMMA 層,量子點(diǎn)位于其中從而構(gòu)成熒光層.圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)是相同的熒光層,但是有200 nm 厚的金層位于玻璃基底和熒光層之間,用來調(diào)控量子點(diǎn)發(fā)射的熒光場(chǎng).金層不僅可以增強(qiáng)激發(fā)光的強(qiáng)度,還可以增強(qiáng)熒光物質(zhì)的輻射場(chǎng).圖1(d)所示的結(jié)構(gòu)是在圖1(c)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上放置一個(gè)電介質(zhì)微球.選擇R=2 μm,n=1.5 計(jì)算量子點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)熒光強(qiáng)度.圖3(a)表示量子點(diǎn)位于(0,0,0.78) μm 時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)功率,與參考結(jié)構(gòu)gp 相比,結(jié)構(gòu)gs 和結(jié)構(gòu)ga 的遠(yuǎn)場(chǎng)定向熒光發(fā)射增強(qiáng)因子分別達(dá)到23 倍和9 倍.x偏振態(tài)下的量子點(diǎn)熒光發(fā)射在3 個(gè)結(jié)構(gòu)中x-z面的電場(chǎng)分布如圖3(b)—(d)所示.通過電場(chǎng)圖可以得知,圖3(b)是gp 結(jié)構(gòu)x-z面的電場(chǎng)分布圖,發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)發(fā)射的熒光主要局域在PMMA層中,并且熒光傳播方向比較發(fā)散;圖3(c)是ga結(jié)構(gòu)x-z面的電場(chǎng)分布圖,發(fā)現(xiàn)熒光的強(qiáng)度比gp結(jié)構(gòu)大且熒光主要在金層上方傳播;圖3(d)是gs 結(jié)構(gòu)x-z面的電場(chǎng)分布圖,可以看出位于電介質(zhì)微球和金層之間的量子點(diǎn)發(fā)出的熒光發(fā)射強(qiáng)度得到明顯提高,且增強(qiáng)的熒光可以通過電介質(zhì)微球產(chǎn)生會(huì)聚光束傳播到遠(yuǎn)場(chǎng).通過比較gs 結(jié)構(gòu)(R=2 μm,n=1.5)與ga 結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)圖,可以發(fā)現(xiàn)gs 結(jié)構(gòu)能顯著增大熒光發(fā)射強(qiáng)度并且形成會(huì)聚光束,而ga 結(jié)構(gòu)僅能夠增強(qiáng)量子點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度,對(duì)于熒光的傳播方向影響很弱.因此gs 結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的激發(fā)增強(qiáng)和調(diào)控?zé)晒獾膫鞑シ较?這是由于該復(fù)合結(jié)構(gòu)的等離激元共振、回音壁模式以及光子納米射流效應(yīng)的綜合作用.之前的研究表明,金屬結(jié)構(gòu)能夠調(diào)控量子點(diǎn)的發(fā)射效率,通過兩者的距離增強(qiáng)或淬滅熒光.電介質(zhì)微球支持回音壁模式是增強(qiáng)熒光的一種方法,由Garrett 等[40]在1961 年提出.我們提出的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光子納米噴射現(xiàn)象是由于偶極子光源與結(jié)構(gòu)相互作用,當(dāng)熒光傳播時(shí)通過電介質(zhì)微球作為透鏡對(duì)光產(chǎn)生會(huì)聚作用,而以前的研究是用平面波和高斯光束直接在自由空間中照射微球產(chǎn)生光子納米噴射現(xiàn)象.此外,通過對(duì)3 種結(jié)構(gòu)電場(chǎng)圖的進(jìn)一步分析得知,電介質(zhì)微球的存在可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)定向熒光發(fā)射遠(yuǎn)場(chǎng)增強(qiáng).綜上所述,電介質(zhì)微球在復(fù)合結(jié)構(gòu)中起到兩個(gè)作用: 一是作為諧振腔產(chǎn)生回音壁模式以增強(qiáng)熒光發(fā)射強(qiáng)度;二是作為透鏡會(huì)聚增強(qiáng)熒光以及控制熒光傳播方向.

圖3 量子點(diǎn)位于(0,0,0.78) μm 處 (a) 3 種結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)功率曲線圖;(b)—(d) R=2 μm,n=1.5,結(jié)構(gòu)gp,ga 和gs 橫截面處的電場(chǎng)分布圖Fig.3.Quantum dots are located at (0,0,0.78) μm: (a) Far-field power curves of the three structures;(b)—(d) plots of the electric field distribution at the cross-section of the gp,ga and gs structures at R=2 μm,n=1.5.

為了詳細(xì)研究電介質(zhì)微球?qū)α孔狱c(diǎn)發(fā)射熒光定向遠(yuǎn)場(chǎng)增強(qiáng)的影響,接下來考慮偶極子光源在特定位置(0,0,0.78) μm 時(shí),不同半徑的電介質(zhì)微球與定向發(fā)射的關(guān)系.電介質(zhì)微球的折射率固定為1.5;微球的半徑R=1.0—2.5 μm 時(shí),微球的位置也需要變化,以保證微球始終與熒光層相切.如圖4 所示,微球尺寸逐漸變大時(shí),遠(yuǎn)場(chǎng)輻射功率會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值功率,并且遠(yuǎn)場(chǎng)輻射峰值功率對(duì)于微球的尺寸變化不敏感.量子點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)功率在短波長(zhǎng)處比較大,且當(dāng)R=2 μm 時(shí),其峰值功率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為570 nm.接下來的研究中考慮到收集效率的計(jì)算,故選擇R=2 μm 來計(jì)算電介質(zhì)微球和金屬平面納米層結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)為570 nm 處的電場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖.

圖4 n=1.5 且量子點(diǎn)位于(0,0,0.78) μm 處,不同半徑電介質(zhì)微球的遠(yuǎn)場(chǎng)功率曲線Fig.4.Far-field power curves of the dielectric microsphere with different radii for n=1.5 and the quantum dots are located at (0,0,0.78) μm.

研究表明透鏡的相對(duì)折射率對(duì)會(huì)聚光有影響[28,41,42],因此有必要研究不同折射率微球?qū)Χㄏ虬l(fā)射增強(qiáng)的影響.我們研究了間隔為0.2,電介質(zhì)微球折射率1.3—2.1 范圍內(nèi)可以在實(shí)際應(yīng)用中找到對(duì)應(yīng)的材料,如有機(jī)玻璃PMMA,n=1.5,其電場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖如圖5 所示.通過電場(chǎng)圖可以得到隨著折射率的增加,電介質(zhì)微球會(huì)聚熒光的能力越強(qiáng),并且會(huì)聚焦點(diǎn)越靠近微球表面,同時(shí)回音壁模式也隨著折射率增加而更加明顯.與電場(chǎng)圖對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖進(jìn)一步顯示了熒光在空氣中傳播過程的分布位置,以及熒光的傳輸方向,可以發(fā)現(xiàn)不同折射率對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖中熒光傳播角度很小,表明我們提出的結(jié)構(gòu)能夠很好地控制熒光光束,會(huì)聚熒光,并且可以有效調(diào)控?zé)晒鈧鬏數(shù)姆较?

圖5 不同折射率電介質(zhì)微球的電場(chǎng)強(qiáng)度和遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖 (a) n=1.3;(b) n=1.5;(c) n=1.7;(d) n=1.9;(e) n=2.1Fig.5.Eelectric field intensity and far-field scattering distributions of dielectric microsphere with different refractive indices:(a) n=1.3;(b) n=1.5;(c) n=1.7;(d) n=1.9;(e) n=2.1.

為了比較不同結(jié)構(gòu)熒光收集效率的影響,接下來研究并計(jì)算了量子點(diǎn)位于(0,0,0.78) μm 處,不同結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)熒光收集效率.收集效率定義為熒光定向發(fā)射方向收集的功率與所有方向總發(fā)射功率的比值.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為電介質(zhì)微球半徑R=2 μm,折射率n=1.5,此時(shí)得到的熒光收集效率最大.從圖6(a)可以看出,結(jié)構(gòu)gs 能夠有效地收集遠(yuǎn)場(chǎng)熒光,使得熒光發(fā)射面的收集效率最高達(dá)到70%,而結(jié)構(gòu)ga 和gp 的熒光發(fā)射面收集效率最大分別為7%和4%.由此可知,結(jié)構(gòu)gs 能夠在熒光發(fā)射面收集大部分熒光能量,這十分有助于提高探測(cè)器的靈敏度,進(jìn)而促進(jìn)熒光檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展.

圖6 (a) R= 2 μm,n =1.5 時(shí),3 個(gè)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)收集效率;(b)—(e) 單色平面波長(zhǎng)為405 nm 處的激發(fā)電場(chǎng)圖 (b) gp 結(jié)構(gòu);(c) ga 結(jié)構(gòu);(d),(e) gs 結(jié)構(gòu)的TE 和TM 偏振Fig.6.(a) Far-field collection efficiencies of the three structures with R= 2 μm,n =1.5;(b)—(e) excitation electric field maps at a wavelength of 405 nm in the monochromatic plane: (b) gp structure;(c) ga structure;(d),(e) the TE and TM polarizations of gs structure,respectively.

本文不僅詳細(xì)研究了量子點(diǎn)的發(fā)射增強(qiáng)過程,并且還考慮了量子點(diǎn)的激發(fā)過程.為了研究量子點(diǎn)的激發(fā)過程,將波長(zhǎng)為405 nm 的單色平面波源放在(0,0,14)位置上分別入射3 個(gè)不含有量子點(diǎn)熒光層的結(jié)構(gòu).仿真范圍是(x,y,z)=(—6∶6,—6∶6,0∶12) μm.為了避免平面波的邊緣效應(yīng),x和y方向采用了布洛赫邊界條件,z方向設(shè)置了完美匹配層邊界條件.時(shí)間監(jiān)視器用于記錄平面波激發(fā)量子點(diǎn)的電場(chǎng).我們從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面分別研究了平面波在橫電波(TE 模式)和橫磁波(TM 模式)下的激發(fā)過程.通過分析圖6(d),(e)所示的在405 nm 波長(zhǎng)處激發(fā)的電場(chǎng)分布圖,發(fā)現(xiàn)我們提出的結(jié)構(gòu) 的光強(qiáng)|E|2(|E|2=|ETE|2+|ETM|2) 是3 種結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的,同時(shí)電介質(zhì)微球金屬平面納米層狀結(jié)構(gòu)在大部分區(qū)域都可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)激發(fā)增強(qiáng),相對(duì)于gp 結(jié)構(gòu)的激發(fā)電場(chǎng)強(qiáng)度,gs 結(jié)構(gòu)激發(fā)的電場(chǎng)增強(qiáng)了10 倍.證明了我們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射增強(qiáng),總的熒光增強(qiáng)倍數(shù)為激發(fā)電場(chǎng)增強(qiáng)倍數(shù)與發(fā)射增強(qiáng)倍數(shù)之積,即該結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)倍數(shù)為230.

4 結(jié)論

本文提出了一種由電介質(zhì)微球和金屬平面納米層組成的等離激元納米復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了高度聚焦的定向熒光發(fā)射增強(qiáng)和激發(fā)增強(qiáng),并且極大地提高了熒光發(fā)射方向的收集效率.電介質(zhì)微球和金屬平面結(jié)構(gòu)形成平凸諧振腔,金屬結(jié)構(gòu)通過等離激元耦合模式調(diào)控?zé)晒廨椛鋸?qiáng)度,最終熒光通過電介質(zhì)微球會(huì)聚光束并形成光子納米射流,回音壁模式能夠?qū)l(fā)射熒光增強(qiáng),調(diào)節(jié)熒光光束并在空氣中定向傳輸熒光.這可以通過控制電介質(zhì)微球的半徑,折射率來調(diào)控?zé)晒鈱拥臒晒獍l(fā)射.這對(duì)于熒光在生物檢測(cè)、成像以及提高發(fā)光器件效率等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義.