基于亚波长光学谐振腔的纳米聚焦器件

　　0 引 言

　　表面等离子体(Surface plasmons)是在入射电磁波作用下存在于亚波长金属结构与电介质界面上的一种表面电磁模式[1]。通过设计优化亚波长金属结构操控表面等离子体波，可以实现对光的位相与方向的有效调控。随着纳米加工技术的发展，利用亚波长金属结构实现各种功能器件、人工结构材料已经成为可能。基于亚波长金属结构的微纳光子器件逐渐被广泛应用于化学、生物感测[2];用于亚波长光学数据存储、纳米光刻[3-5]及能够突破衍射极限的超分辨成像[6];尤其在纳米波导、全光回路、光子芯片、调制器、以及基于表面等离子体的其它元器件方面[7-8]，具有广阔的科研价值和应用前景，为新一代光学器件与系统的发展提供了广阔的空间。

　　光学微谐振腔是一种尺寸在微米以及亚微米量级的光学元器件，利用在谐振腔界面的反射效应，将光限制在一个很小的工作区域内，并发生相互干涉，致使特定频率的光由于发生相长干涉而得到增强。光学微谐振腔在微型激光器和光通信器件等领域都有着重要的应用价值。在本文中，我们提出了一种新型亚波长光学谐振腔引入亚波长金属结构，由于表面等离子体的局域特性[1]参与作用并发生干涉，为形成小型化和高集成性的纳光学器件提供了途径。基于新型亚波长光学谐振腔，能够实现高效纳米聚焦的表面等离子体器件。我们利用电磁仿真软件 FDTD 进行了针对性仿真，形象地描述出谐振腔内的场强分布，总结出聚焦能量调制的规律，并揭示出其内在机理。

　　1 纳米聚焦器件

　　为了实现表面等离子体的高效激发、有效干涉和高效纳米聚焦，我们提出如图1 所示的简单紧凑，易于加工的新型亚波长光学器件。掩模板由石英基底和铝膜组成，表面等离子体可在石英和金属铝的交界面处激发产生，随后在两个平行的金属铝板中间发生相互干涉，产生谐振，而锥形结构则用来实现表面等离子体的高效局域，最终形成纳米聚焦。

　　我们利用时域有限差分法(FDTD)进行数值计算。石英基底折射率为 1.52，金属选择具有高反射率的铝，和其它金属(金、银)相比，此时激发的表面等离子体具有更长的传播距离，从而有利于形成较强的干涉。我们用 Drude 模型来表征铝，其介电常数定义式表示为

　　我们对聚焦时能量的空间分布进行了仿真，如图2 所示。当波长为 365 nm 的 TM 单色平面光照射到这个器件上时，能量被高效局域在锥形结构的尖端，形成了聚焦。在距离锥形尖端 30 nm 位置(即图 2(a)中 Z=0.93 μm 处白虚线的位置)，焦斑的半高全宽为 100 nm(如图 2(b)所示)，小于入射波长的三分之一，突破了衍射极限。进一步研究表面：该焦斑的大小与入射光的波长无关，仅与锥形结构尖端的形状和特征尺寸等有关，我们通过减小尖端的宽度，可以获得焦斑尺寸小于 20 nm 的良好聚焦结果[4]。