在A-SNOM中L-V形纳米小孔的优化设计

　　小孔径扫描近场光学显微镜(A-SNOM)突破了传统光学显微镜的分辨衍射极限,其光学分辨率达到了纳米量级[1]。纳米尺度的光源是近场光学领域的核心技术之一。如何获得纳米尺度的光源成为近年来近场光学应用领域中重要的研究课题之一。人们通常使用纳米尺度的方孔或圆孔来获得纳米尺度的光源,当小孔尺寸比输入波长λ小的多时,小孔的通光效率迅速下降。如圆孔的半径为r,当r λ时,研究表明其通光效率随r4变化[2]。随之而来,光功率与信噪比也将随着小孔直径的减小迅速下降。为了改善纳米小孔的性能,最近人们提出了许多异形小孔。如C形孔[3]、bow-tie孔[4]、I形孔[5]、三角形孔[6]、带散射中心的孔[7]、L形孔[8]等等,这些小孔均能有效地提高输出光功率。以上是单个小孔的情况。对多个小孔组成的孔径阵列来说,通过对阵列周期等其它参数的试验,每一个圆孔的通光效率都可大于1[9],这种现象归因于孔径阵列的表面等离子增强效应[10]。另外,周围带有表面纳米形貌结构的单孔也有类似的增强效应[11]。

　　许吉英等人于2005年提出了L形孔,2008年Bortchagovsky等人又提出了V形孔[12]。这两种小孔的结构非常相似,区别仅在于小孔的两个臂长是否相等。另外,两者的入射光偏振态也不相同。究竟哪一种小孔的性能更好,文献中至今未见报道,本文使用时域有限差分法对L形和V形孔进行优化设计[13],目的是寻找能同时获得光斑小和强度高的小孔最佳结构和有关参数。

　　1　数值计算模型

　　本文采用时域有限差分法进行数值模拟计算。对纳米小孔的近场光场分布,采用图1所示的无限大金属屏上小孔的计算模型进行仿真计算。以x方向偏振的平面波入射,光波沿z向入射。选用铝(ε=-23·2+8·1i)作为金属膜层的材料,金属的光学性质采用Drude[14]模型。入射光的真空波长为632·8 nm,计算空间的网格数为300×300×250,网格大小为5 nm×5 nm×5 nm。在可见光波长范围,由于光与物质的相互作用主要是电场,本文用电场分量模平方|E|2表示小孔的近场光场分布特性。光斑尺寸由光强极值的半峰全宽(FWHM)确定,在x,y方向上的尺寸分别为dx、dy。距离小孔出口30 nm的平面作为峰值光强和光斑尺寸的记录面。

　　2　数值计算结果与分析

　　图2为L形孔模型图。由图可见L形孔由两个交叠的狭缝构成,且包含一个脊形的纳米结构。两个狭缝的宽度均为W1,沿x、y方向的缝长分别为L1和L2。脊形纳米结构在x、y方向的边长分别为L3和L4。α为入射光的偏振角,定义为与x轴正方向的夹角。为减小计算的复杂性,本文假定L3=W1、L1=2W1。图3为峰值光强随缝长L2的变化曲线图。由图可见对于不同的缝宽,其峰值光强具有相同的变化趋势,且在相同的缝长处同时达到峰值。另外随着缝宽增加,其峰值光强也随着增加,这是由于孔径变大时,有更多的光被耦合进小孔中的缘故。