基于受激的表面等離子體波光調(diào)制器的設(shè)計(jì)

基于受激的表面等離子體波光調(diào)制器的設(shè)計(jì)

光調(diào)制器的設(shè)計(jì)分辨率識(shí)字光調(diào)制器是一種低破壞、效率高的新型光調(diào)制機(jī)。它克服了傳統(tǒng)光調(diào)制器的缺點(diǎn)，如噪聲抑制、不穩(wěn)定型脈寬的峰值，以及脈寬的狹窄寬度。FTIR光調(diào)制器是由兩塊平行相對(duì)的石英棱鏡組成,通過(guò)壓電換能器迅速改變兩棱鏡間的空氣間隙來(lái)改變反射率,從而改變腔內(nèi)的損耗來(lái)對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。通過(guò)計(jì)算可知,FTIR光調(diào)制器要求兩塊棱鏡間的空氣間隙厚度為入射波長(zhǎng)的0.05倍～0.1倍時(shí)才能達(dá)到理想的調(diào)制深度,而在實(shí)際工藝中這一點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)。表面等離子體波(SPW)光調(diào)制器的出現(xiàn)正是為了解決這個(gè)問(wèn)題。1等離子體波的產(chǎn)生金屬中除了有束縛電子外,還包含著大量的自由電子,這些自由電子在電場(chǎng)作用下能在金屬中移動(dòng)。金屬或半導(dǎo)體的表面電子的行為類(lèi)似于自由電子氣,表面等離激元(surfaceplasmons,SP)就存在于其表面。其被邊界上的外來(lái)電場(chǎng)激發(fā)后產(chǎn)生表面自由電荷的集體振蕩,即表面等離激元振蕩(surfaceplasmonoscillations,SPO)。這種振蕩相當(dāng)于一種在界面?zhèn)鞑サ牟?也稱(chēng)為表面等離子體波(surfaceplasmonwave,SPW)。SPW沿表面或者界面?zhèn)鞑?其振幅隨離開(kāi)界面的距離而指數(shù)衰減。因此,SPW僅局限在表面或界面的有限距離(波長(zhǎng)數(shù)量級(jí))之內(nèi)。SPW不能與平面電磁波直接耦合。KRETSCHMANN與OTTO先后提出了兩種可以實(shí)現(xiàn)耦合的方法(見(jiàn)圖1和圖2)。即通過(guò)光波由光密媒質(zhì)到光疏媒質(zhì)發(fā)生全反射時(shí)產(chǎn)生的迅衰波(evanescentwave,EW)與SPW共振耦合。其中,Kretschmann結(jié)構(gòu)是按棱鏡、金屬、空氣的順序,金屬的厚度約為幾十納米。讓p偏振的激光以特定的角度從玻璃內(nèi)部入射,通過(guò)倏逝波場(chǎng)耦合到金屬膜和介質(zhì)的表面,激發(fā)SPW,此時(shí)入射光的能量發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,反射光強(qiáng)會(huì)相應(yīng)減弱,這個(gè)角度稱(chēng)為共振角。Otto結(jié)構(gòu)與Kretschmann結(jié)構(gòu)的不同在于它是按棱鏡、空氣、金屬的順序,金屬層的厚度只要大于微米量級(jí)(可認(rèn)為無(wú)限厚)都可以滿足要求。共振指的是當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)受被迫振動(dòng),所加外力的頻率與其固有頻率接近或相等時(shí),合振幅急劇增大或減小的現(xiàn)象。因此,可以理解為:表面等離子波就是在金屬界面上的自由電子被邊界上的外來(lái)電場(chǎng)激發(fā)后引起的表面電荷的量子振動(dòng)。這里是由激光引起的。由于界面上材料、入射角度的不同,所引起的SPW波的波矢也不同,當(dāng)在材料一定的情況下,入射角達(dá)到某一特定值的時(shí)候,SPW波的波矢與激光的波矢在界面上的水平分量(p分量)一致時(shí),就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,入射光的能量發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,反射光強(qiáng)會(huì)相應(yīng)減弱和增強(qiáng),即是對(duì)r的調(diào)制。使用菲涅耳公式和單層膜的反射率計(jì)算公式,可算得反射系數(shù)r(其中金屬的介電常數(shù)為復(fù)數(shù)):r=(r01+r12e2ik1zd)/(1+r01r12e2ik1zd)(1)r=(r01+r12e2ik1zd)/(1+r01r12e2ik1zd)(1)其中:rj,j+1=(xj-xj+1)/(xj+xj+1)(j=0,1)(2)xj=εj/kjz(j=0,1,2)(3)kjz=√(ω/c)2εj-k20x(j=0,1,2)(4)k0x=(ω/c)√ε0sinθ(5)rj,j+1=(xj?xj+1)/(xj+xj+1)(j=0,1)(2)xj=εj/kjz(j=0,1,2)(3)kjz=(ω/c)2εj?k20x???????????√(j=0,1,2)(4)k0x=(ω/c)ε0??√sinθ(5)式中,r為p偏振狀態(tài)下的值,ε0,ε1,ε2分別為玻璃、金屬、介質(zhì)的介電常數(shù),ω代表光波頻率,c為光在真空中的傳播速度,d為金屬膜厚。等離子體波的波矢為:kSΡ=(2π/λ)√ε0ε1/(ε0+ε1)(6)當(dāng)kSP=k0x的時(shí)候,產(chǎn)生等離子體波共振,于是該波長(zhǎng)的p偏振態(tài)光的能量產(chǎn)生極大的衰減。r也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,即r也就得到調(diào)制?？紤]到棱鏡和較薄的金屬薄膜不能承受過(guò)高的功率密度,并且加工難度較大,因此用Otto結(jié)構(gòu)來(lái)做SPW光調(diào)制器的設(shè)計(jì)是較為合適的。下面的模擬計(jì)算也就是基于Otto結(jié)構(gòu)的。2由于主要結(jié)構(gòu)中的建模計(jì)算公式2.1激光反射系數(shù)法ph表征激光的振蕩條件為:γ(t)=αL=γ0-lnR(7)式中,γ0為常數(shù),t為時(shí)間,L代表腔長(zhǎng),α代表增益系數(shù)。在這里,反射率R是指把整個(gè)結(jié)構(gòu)看作為一個(gè)整體的反射率,它是一個(gè)決定性的變量。由薄膜光學(xué)理論,單層介質(zhì)薄膜的特征矩陣為:[cosδ1isinδ1/η1iη1sinδ1cosδ13〗(8)式中,δ代表反射和透射形成的位相差,且:δ1=(2π/λ)Ν1d1cosθ1(9)對(duì)p分量有η1=N1/cosθ1(10)矩陣定義為基片和薄膜組合的特征矩陣,則組合導(dǎo)納:Y=C/B=η2cosδ1+iη1sinδ1cosδ1+i(η2/η1)sinδ1(12)故振幅反射系數(shù)為:r=η0-Yη0+Y(13)相應(yīng)的反射率為:R=r?r*=|η0-Yη0+Y|2(14)(9)式～(14)式中,下標(biāo)0代表玻璃,1代表空氣,2代表金屬;λ為真空中入射光波長(zhǎng),d1為空氣間隙厚度,θ0為入射角,θ1為折射角;θ2由折射定律導(dǎo)出,為復(fù)數(shù);Nj(j=0,1,2)為復(fù)折射率,ηj為有效導(dǎo)納。選用比較常見(jiàn)的幾種金屬,如:Cu,Al,Ag在波長(zhǎng)分別為1.064μm和0.532μm的激光下,其復(fù)折射率的值由表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)代入(7)式～(13)式,可用數(shù)學(xué)計(jì)算工具算出相應(yīng)的最低反射率,及此時(shí)的最佳間隙距離和入射角,如表2、表3、表4所示。2.2金屬入射角的影響考慮到反射率R只與間隙距離d和入射角有關(guān),所以固定間隙距離而改變?nèi)肷浣鞘且环N改變R的方式。這里的d值取為各金屬的最佳間隙距離。由圖3和圖4可知,在波長(zhǎng)為1.064μm下,各金屬入射角θ在43°～44°之間改變0.5°時(shí),R的變化可以達(dá)到0.9以上。而在波長(zhǎng)為0.532μm下,θ在42°～44°之間改變0.5°時(shí),各金屬的R的變化相差則較大,其中Cu有0.6,Al有0.4,Ag只有0.2。在長(zhǎng)波長(zhǎng)的情況下,各金屬的反射率R都會(huì)在某一特定角處變化非?？?很適合調(diào)制過(guò)程的需要,而在短波長(zhǎng)的情況下,這樣的現(xiàn)象就不再顯著。2.3反射率r的變化固定入射角度而改變間隙距離是另外一種改變R的方式,這里的入射角取值為最佳入射角度。從圖5和圖6同樣可以看出在波長(zhǎng)為1.064μm下,各金屬的d在2μm左右改變0.5μm時(shí),R的變化可以達(dá)到0.5左右。而在波長(zhǎng)為0.532μm下,同樣的,各金屬的情況就有了區(qū)別,d在0.5μm～1μm之間改變0.5μm時(shí),R的變化:Cu有0.6,Al有0.5,Ag僅為0.1。并且這樣的現(xiàn)象在3μm處會(huì)再度出現(xiàn),把調(diào)制區(qū)域取在此處可以完全伸展開(kāi)來(lái),不受距離限制。因此,在長(zhǎng)波長(zhǎng)的情況下各金屬的反射率R變化趨勢(shì)差別不大,而在短波長(zhǎng)下則因金屬的不同而相差較大,只有合適的金屬(如Al,Cu)才有較好的效果。因此,總的來(lái)說(shuō)還是長(zhǎng)波長(zhǎng)下各金屬R的變化更適合調(diào)制過(guò)程的需要。3整體反射率r的模擬分析了金屬表面所產(chǎn)生的SPW波產(chǎn)生的原理及特性,并運(yùn)用薄