雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)近紅外波段的吸收研究.doc

云 南 大 學(xué) 學(xué) 報 ( 自 然 科 學(xué) 版 ) , 2011, 33 ( 3) : 297302Journa l of Y unnan Un iver s ityC N 53 - 1045 / N ISSN 0258 - 7971h ttp: / / www. yn dxxb. yn u. edu. cn3雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)近紅外波段的吸收研究付康印 , 陳躍剛(貴州大學(xué) 貴州省光電子技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室 ,貴州 貴陽 550025)摘要 :提出一種應(yīng)用價值較高的由帶周期狹縫和周期凹槽的 2塊金屬板構(gòu)成的吸收器件 . 利用時域有限差分算法 ( FD TD ) 模擬了電磁波跟金屬結(jié)構(gòu)的相互作用 . 發(fā)現(xiàn)在所研究波段形成 2個強吸收峰 . 變化狹縫寬度 、2 塊金屬板的間隔和凹槽深度 ,發(fā)現(xiàn)不同的變化規(guī)律 . 結(jié)合近場分布 ,認為吸收的物理機制是通過表面等離子體 將電磁波耦合進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部 ,一種是只在金屬表面的表面等離子體共振 ,另一種是在狹縫里的 F - P共振 . 2 種共振通過金屬電子的阻尼振動將光波的電磁能量吸收 .關(guān)鍵詞 :表面等離子體 ;金屬亞波長結(jié)構(gòu) ; F - P共振中圖分類號 : O 484; O 436文獻標(biāo)識碼 : A文章編號 : 0258 - 7971 ( 2011 ) 03 - 297 - 061998 年 Ebbe sen 等發(fā)現(xiàn)電磁波通過亞波長金屬孔陣產(chǎn)生強透射 效應(yīng) 1 , 亞波 長金 屬 納米 光子 器件成為研究的熱點 . 之后 , H ibb in s等提出的金屬 器件 3層的微型金屬腔 : 金屬 - 介質(zhì) - 金屬 ,腔的上面層金屬薄膜分布有周期的亞波長狹縫 ,下面層金屬薄膜足夠厚致 使波 不能 透射 2 . 研 究發(fā) 現(xiàn)這 種微型腔在光波和微波波段具有吸收特性 ,這種微 型結(jié)構(gòu)在光子器件集成方面具有應(yīng)用價值. 此微型 腔是通過上表面激發(fā)的表面等離子共振將入射波 引入中間的介質(zhì)層 . 在中間介質(zhì)層內(nèi) ,特定波長的 入射波形成橫向 F - P 共振 ,將電磁波的能量轉(zhuǎn)化 為焦耳熱 ,從而被金屬吸收. 最近在金屬器件吸收 方面也有新的發(fā)展 ,比如由金屬和介質(zhì)層交替排列 形成的一維有限周期準(zhǔn)光子晶體結(jié)構(gòu)對光波的吸 收 3 - 6 ,入射波在亞波長衍射光柵上激發(fā)表面等離 子體波而形成疏密等離子體吸收 7 - 10 .本文利用 時域 有限 差 分 ( FD TD ) 方 法模 擬雙 層金屬亞波長結(jié)構(gòu)跟電磁波的相互作用. 我們研究 金屬 - 介質(zhì) - 金屬結(jié)構(gòu)的吸收特性 ,在前面金屬層 上分布周期狹縫 ,后面金屬層分布有凹槽 ,光波不 能透過. 計算了反射譜 ,發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)在 1 000 nm 到1 800 nm波段存在 2 個很強的吸收峰 , 2 個吸收峰有不同的物理機制 . 結(jié)合 2個吸收峰對結(jié)構(gòu)的參數(shù) 變化規(guī)律的不同和它們的近場 ,對 2個吸收峰的物理機制進行解釋. 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)改變雙層金屬亞波 長結(jié)構(gòu)的參數(shù)對近紅外波段的光波具有強吸收特 性 ,在光子學(xué)吸收器件領(lǐng)域具有一定應(yīng)用前景.1 模型及數(shù)值模擬研究一種雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)的吸收器件. 結(jié) 構(gòu)如圖 1 所示. 整個金屬銀結(jié)構(gòu)置于真空中 ,在圖 中 ,白色區(qū)域為真空 ,灰色區(qū)域為金屬銀. 第 1 層金 屬板上刻有亞波長狹縫 , x 方向上狹縫周期為 p1 , 光 柵狹縫的寬度為 w1 , 第 1 層金屬板厚度為 h1 ; 第 2 層金屬板上刻有亞波長凹槽 , x 方向上凹槽周期為 p2 , 凹槽的深度和寬度分別為 h3 和 w2 , 第 2 層金屬 板厚度為 h2 ,第 2層金屬板的厚度足夠厚 ,滿足 h2 - h3 的差值遠遠大于此波段入射到金屬上的趨膚深 度 (大約 20 nm ) ,以至于能量不能透過第 2 層金屬 板 ; g 為第 1層和第 2層金屬板之間間隔距離. 在時 域有限差 分 法 ( FD TD ) 模 擬 中 選 取 的 離 散 間 距 為x =y = 10 nm ,其結(jié)構(gòu)的最小細節(jié)尺寸為 10 nm.3 收稿日期 : 2010 - 08 - 23基金項目 :貴州省自然科學(xué)基金資助項目 (黔科合 J 2008 2046 ) ;貴州大學(xué)基金資助項目 ( 2007 ) 029 ) .作者簡介 :付康印 ( 1984 - ) ,男 ,陜西人 ,碩士生 ,主要從事亞波長金屬陣列結(jié)構(gòu)光傳輸研究. E - m il: fu_kangyin 126. com .通迅作者 :陳躍剛 ( 1978 - ) ,男 ,貴州人 ,副教授 ,博士 ,主要從事亞波長金屬陣列結(jié)構(gòu)光傳輸 、光子晶體方面的研究. E - m a il: cyg000 163. com; yg_chenyg sina. com. cn.數(shù) h1 = 500 nm , h2 = 800 nm , h3 = 500 nm , g = 200 nm和 p1 = p2 = 1 000 nm. 分別計算了 4 種狹縫寬度 w1= w2 = 40 , 60 , 100 , 160 nm ,其對應(yīng)的反射譜如圖所示.2圖 1 金屬亞波長雙層結(jié)構(gòu)示意圖F ig. 1 Schem a tic of subwave length dua l - m e ta llic struc tu re s利用二維時域有限差分法 ( FD TD ) 來模 擬周期性雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)的吸收 ,此周期結(jié)構(gòu)可以 簡化為 1 個周期 單 元的 計算 , 在 計算 區(qū) 域上 設(shè)置 上 、下邊界為周期邊界 ,左 、右邊界則用完全匹配層 ( PML )邊界 ,以模擬無限的開放空間. 入射波采用 TM 偏振的平面波 , 垂直 于金 屬表 面 入射 , 入 射波時間上為高斯脈沖 , 其中心頻率的波長 = 1 100nm. 在模擬金屬結(jié)構(gòu)跟電磁波的相互作用過程中 , 平面波垂直入射到金屬表面 ,金屬內(nèi)部分電子受激 匯聚到金屬表面與電磁波共同振動 ,金屬介電常量 隨波長色散 ,金屬的介電常量采用 D rude 模型描述 其色散性質(zhì) 11 - 14 表示為 :圖 2 狹縫寬度對反射譜的影響F ig. 2 The reflec tive sp ec tra of the struc tu re w ith d iffe ren t w id th在上面的反射光譜圖 2中 ,吸收譜有 3 個奇異特性. 第一 ,對于短波長的吸收峰 ,其對應(yīng)的反射率 明顯小于結(jié)構(gòu)的 1個周期內(nèi)金屬部分所占的比例.這表明不但照射到狹縫的波被吸收 ,而且照射到上 表面金屬部分的波也被結(jié)構(gòu)所吸收 . 第二 ,對于吸 收峰對應(yīng)的波長遠大于狹縫寬度的一半 ,不能在狹 縫內(nèi)形成常規(guī)的波導(dǎo)模. 第三 ,短波長吸收峰的帶 寬比較窄 ,長波長的帶寬比較寬 . 我們不能應(yīng)用經(jīng)pM () =0( 1 )1 -,典的吸收原理來理解這里的吸收特性 ,因此將結(jié)合上式中 為入射波的頻率 , 0 為真空中的電介質(zhì)常數(shù) ,p 為金屬的等離子共振特征頻率 ,是振動 阻尼系數(shù) . 對于本文中的金屬銀結(jié)構(gòu) , 其 p = 1. 371016 rad / s和 = 3. 21 1013 rad / s.反射率譜線的獲得 : 利用時域高斯脈沖入射 , 得到時域入射波和被結(jié)構(gòu)反射回來的時域反射波 . 對 2 次時域波通過傅里葉變化分別得到入射頻譜 和反射頻譜 . 利用反射頻譜除以入射頻譜得到歸一 化的反射頻譜 ,之后對反射頻譜取平方就得到反射 率譜線.吸收峰對應(yīng)的近場分布給出吸收的物理機制 .為了研究強吸收峰產(chǎn)生的原因 ,從反射光譜中 選取狹縫和凹槽的寬度 w1 = w2 = 100 nm 的反射譜 線的 2個強吸收峰對應(yīng)波長的場振幅分布 ,如圖 3 所示. 在圖 ( 3 )中 ,圖 3 ( a ) , ( c )和 ( e )為吸收峰對 應(yīng)的波長 = 1 073 nm 時的磁場 Hz ,電場 Ex 和 Ey 的場振幅強弱分布 ; 而圖 3 ( b ) , ( d ) 和 ( f) 為吸收 峰對應(yīng)的波長 = 1 517 nm 時的磁場 Hz ,電場 Ex 和 Ey 的場振幅強弱分布 . 從 2 個波長的場分布來 看 , 2 個波長的光波能在第 1 層金屬表面產(chǎn)生強弱 分布. 這種現(xiàn)象主要是光波照射雙層金屬亞波長結(jié) 構(gòu) ,受到周期狹縫散射 ,金屬內(nèi)很多電子以及金屬 表面存在的自由振動的電子與光波相互作用匯聚 到表面上 ,隨電磁波運動而形成的沿著金屬表面?zhèn)? 模擬及結(jié)果分析在這里主要研究 :狹縫寬度 w1 、雙層金屬板之 間距離 g、凹槽深度 h3 等參數(shù)對吸收譜影響 .2 ( + i )播的電子疏密波 , 在 金屬 表 面產(chǎn) 生表 面 等離 子體( Su rface P la sm a, SP ) 15 - 16 . 第 1 層 金 屬 前 表 面 的 表面等離子體在周期狹縫之間來回反射形成共振 .這樣通過表面等離子體共振將入射到金屬部分能 量耦合進入狹縫內(nèi) ,使反射率小于結(jié)構(gòu)的 1個周期 內(nèi)金屬部分所占的比例 ,因此 ,在反射光譜線中出 現(xiàn)很強的 吸 收 峰. 然 而 在 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) , 對 于 波 長 =1 073 nm 的光波 ,如圖 3 ( a)所示 ,在第 1 層金屬板的狹縫中的場和第 2 層金屬板的凹槽中的場連接 在一起 ,形成 y 方向的強弱分布 ,且在 2 塊金屬板 之間的間隔中也形成 x方向的強弱分布. 對于波長 = 1 517 nm 的光波 ,如圖 3 ( b ) 所示 ,在第 1 層金 屬板的狹縫中場形成 y方向的強弱分布 , 且在 2 塊 金屬板之間的間隔中也形成方 x向的強弱分布 , 而 相對于 = 1 073 nm 的場弱 ,且在第 2 層金屬板上 的凹槽內(nèi)沒有場分布 . 再對比圖 3 ( e)和 3 ( f) ,在 2 塊金屬板間的間隙中 ,圖 3 ( e )中 Ey 大小隨 y 沒有 明顯變 化 ; 而 圖 3 ( f) 圖 中 Ey 大 小隨 y 增 大 而 減 小 , 為表面等離子體的特征. 因此我們認為當(dāng)波長 = 1 073 nm 時 ,在第 1層金屬板中的狹縫 、第 2層 金屬板上的凹槽形成 y方向 F - P共振和在兩板的 間隔內(nèi)形成 x 方向 F - P共振 . 當(dāng)波長 = 1 517 nm 時 ,在第 1 層金屬板中的狹縫中形成 y 方向 F - P 共振 ,將入射能量從第 1塊金屬板的前表面耦合到狹縫可以看成 1個共振腔 ,其由兩端面和 2 個金屬壁構(gòu)成 ,形成波導(dǎo) F - P 共振 17 . 根據(jù)電磁波 的傳播特性 ,由 2個端面反射產(chǎn)生的 y軸正反方向傳播的電磁波可以表示為 : Ei = E0 co s (t - ky ) ,Er = E0 co s (t + ky +) ,( 2 )式 ( 2 )中 : k 是波矢 , 是反射分界處產(chǎn)生的附加相位. 在狹縫中形成的入射波和反射波在狹縫所構(gòu) 成的波導(dǎo)中疊加 :E = E + E = 2 E co s t +co sky +.( 3 )i r 022透射峰波長滿足以下條件 : = k0 R e ( neff ) h - a rg ( r12 ) = m,( 4 )上式中 k0 為真空中的波矢 , neff是基模的平均有效折射率 , h 為共振腔的長度 , a rg ( h2 ) 為常數(shù) , 表示 由于波在狹縫兩端反射時引入的附加相位 , m 為整 數(shù). 對于附加相位 a rg ( h2 ) 的產(chǎn)生是由于光波在腔 內(nèi)的反射 .在雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)的吸收器件中 ,電磁波透過第 1層金屬板上的周期性狹縫 ,進入間隔中被金 屬板強吸收 ,吸收峰的波長由公式 ( 4 ) 描述. 狹縫 中基模的平均有效折射率大小跟狹縫內(nèi)的介質(zhì)和 狹縫的金屬內(nèi)壁有關(guān) , 根據(jù)文獻 18 - 21 提出的 對稱性金屬波導(dǎo)表面等離子體激元的有效折射率 ,以及波導(dǎo)等離子體色散可知 :后表面 ,在第振 .1 塊板 后表 面 產(chǎn)生 表面 等 離子 體共圖 3 強吸收峰對應(yīng)波長的場振幅分布 , 波長為 = 1 073 nm 和 = 1 517 nmF ig. 3 The fie ld amp litude d istribu tion fo r the ab so rbed p eak a t wave length = 1 073 nm and = 1 517 nm屬板之間的間隙可以看成 1個狹縫 ,間隙大小 g 對應(yīng)于公式 ( 10 )中的狹縫寬度 w. 增大前后層金屬板neff = k ,( 5 )0dp 1 - ekw間距 , 金屬板之間介質(zhì)的有效折射率 n 減小 , x 方=( 6 )kw ,effmk1 + e向的同一 F - P 共振縱模和第 1 塊金屬板后表面的表面等離子體的波長隨有效折射率減小而發(fā)生 藍移 , 2個吸收峰都出現(xiàn)向短波長方向移動. 2k = k0- d ,( 7 )k0 2p = k0- m ,( 8 )k0 2k0 = .( 9 )其中 ,是波導(dǎo)中表面等離子體傳播常數(shù) (與波導(dǎo)厚度 、寬度和波導(dǎo)中的介電常數(shù) d 有關(guān) ) , d 是波導(dǎo)中介質(zhì)的介電常數(shù) , m 是波導(dǎo)金屬的介電 常數(shù) (由金屬色散 D rude模型決定 ) , w 是波導(dǎo)的寬 度 ,是入射波的波長 . 根據(jù)上面的公式 ( 5 ) ( 9 )可以計算出波導(dǎo)寬度隨有效折射率變化的表達式 :21 -1 - ( 10 )w =lnmd m2 - 1 +1 -k0neff dd2n- 圖 4 前后層間隔距離對反射譜的影響F ig. 4 The reflec tive sp ec tra of struc tu re w ith the d iffe ren t sp ace be tween two p la te seff m固定 k0 ,d ,m 和 等參數(shù)不變 , 當(dāng)自由空間的入射波波長 = 1 100 nm ,m = - 48. 948 924 +3. 16 948 i 22 ,根據(jù)有效折射率和波導(dǎo)寬度的關(guān)系 式 ( 10 ) 可 計 算 w 和 對 應(yīng) R e ( neff ) : w = 40 nm , R e ( neff ) = 1. 506; w = 60 nm , R e ( neff ) = 1. 36; w =80 nm , R e ( neff ) = 1. 275; w = 100 nm , R e ( neff ) =1. 23. 因此 ,有效折射率隨波導(dǎo)寬度的增加而減小 .在雙層金 屬亞 波長 結(jié) 構(gòu)中 , 在 圖 2 的 反 射 譜 中 ,對于 2 個吸收模隨著縫寬的增加而同時出現(xiàn)向 短波 方 向 移 動 , 主 要 是 由 于 狹 縫 寬 度 增 大 (或 減小 ) ,狹縫中的有效折射率 neff減小 (或增加 ) ,根據(jù) 公式 ( 4 ) 的有效折射率與波導(dǎo)共振腔特性 , F - P 腔的同一共振縱模波長減小 (或增加 ) , 出現(xiàn)吸收 峰藍移 (或紅移 )的現(xiàn)象. 另外也可以得出減小 (或 增大 )狹縫的長度 h1 , 出現(xiàn)吸收峰藍移 (或紅移 )現(xiàn)象 .當(dāng)前后層金屬板之間的間隔變化時 , 吸收峰的 波長也發(fā)生變化. 取狹縫和凹槽寬度 w1 = w2 = 100 nm ,改變金屬層之間間隔 g = 60 , 100 , 140 , 200 nm , 其它參數(shù)不變 ,結(jié)果如圖 4 所示 . 當(dāng)前后層之間間 隔增大時 ,短波長吸收峰波長出現(xiàn)吸收率增大 . 根 據(jù)前面得出的波導(dǎo)寬度與有效折射率特性可知 :入 射波從第 1層金屬板的周期狹縫中透射出來 ,在 2第 2塊金屬板上凹槽深度對反射譜的影響 . 固定狹 縫 寬 度 、凹 槽 寬 度 和 前 后 層 之 間 間 隔 等 , 即 h1 = 500 nm , h2 = 800 nm , w1 = w2 = 100 nm , h3 = 500 nm , p1 = p2 = 1 000 nm 和 g = 200 nm. 分別計算具有不同凹槽深度 h3 = 100 , 120 , 140 nm 的反射譜 , 結(jié)果如圖 5所示. 反射光譜中產(chǎn)生不同波長的強吸收 峰. 對于長波長的吸收峰 ,主要是第 1 塊金屬板上的狹縫的共振和其前后表面的表面等離子體共振引起的 ,而在凹槽內(nèi)沒有參與共振 ,所以凹槽深度 對吸收沒有影響. 對于短波長的吸收峰 ,隨凹槽深 度增大 ,吸收峰向長波長方向移動. 主要是光入射 到凹槽中 ,在凹槽底部發(fā)生反射 ,凹槽內(nèi)為波疏介質(zhì) ,凹槽的后端金屬銀為波密介質(zhì) ,反射波出現(xiàn)半 波損失 23 ,反射分界處出現(xiàn)波節(jié) ,增大凹槽的深度h3 ,使由第 1 塊金屬板上的狹縫和第 2 塊板上凹槽 構(gòu)成的 F - P 腔的長度增加 , 同一共振縱模 (同一 m )波長增大 ,短波長的吸收峰向長波長方向移動 , 出現(xiàn)短波長吸收峰紅移現(xiàn)象.因此 ,雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)的吸收機制是 : 對于短波長區(qū)域吸收 ,在第 1層金屬板中的狹縫 、struc tu re J . 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Phys 3 4 5 圖 5 雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)中凹槽深度對反射的影響F ig. 5 Influence of groove dep th on reflec tive sp ec tra 6 第 2 層金屬板上的凹槽形成 y 方向 F - P共振和在兩板的間隔內(nèi)形成 x 方向 F - P 共振 . x 和 y 兩個 方向的 F - P共振共同作用將入射的電磁波能量 通過金屬電子的阻尼振動轉(zhuǎn)化為熱能 ,即光波的能量被吸收 . 對于長波長區(qū)域吸收 ,在第 1 層金屬 板中的狹縫中形成 y 方向 F - P共振 ,將入射能量從第 1塊金屬板的前表面耦合到后表面 ,在其后表面產(chǎn)生表面等離子體共振 ,通過金屬電子的阻尼振 動轉(zhuǎn)化為熱能 ,使光波的能量被吸收. 7 8 9 3 結(jié)論本文研究了一種雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)對電磁波的吸收 . 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在近紅外波段存在 2個不同的 強吸收峰 . 結(jié)合吸收峰的近場分布 ,分析產(chǎn)生不同 吸收的原因 . 通過表面等離子體將電磁波耦合進入 結(jié)構(gòu)內(nèi)部 ,一種是只在金屬表面的表面等離子體共 振 ,另一種為產(chǎn)生 F - P共振 . 2種共振通過金屬電 子的阻尼振動把光波的電磁能量吸收 . 利用這種吸 收特性 ,在雙層金屬亞波長結(jié)構(gòu)中 ,可以通過調(diào)整 狹縫寬度 、凹槽深度和 2層金屬之間的間隔來吸收 特定波長的波 . 10 11 12 13 參考文獻 : 1 EBB ESEN T W , L EZEC H J , GHA EM I H F, e t a l. Ex2 trao rd ina ry op tica l tran sm is - sion th rough subwave2 length ho le a rrays J . N a tu re, 1998 , 391 ( 6668 ) : 6672669. 2 H IBB IN S A P, MURRA Y W A , TYL ER J , e t a l. 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