基于表面等离子激元的亚波长器件研究

　　根据经典理论,光波在狭缝中的透过率都正比于狭缝尺寸与入射波长比值的4次方^[1],所以亚波长金属狭缝的透过率是极低的.Ebbesen等^[2]发现当一束光垂直通过周期性小孔阵列的金属银膜时,在某些特定的波长上p偏振光有异常的透过增强,他们给出的解释是金属表面的周期结构产生了表面等离子激元(surface plasmon polaritons, SPPs)共振.理论和实验证明,多种亚波长金属微结构能够实现对入射光的异常透射效果^[3-5],其中包括具有亚波长狭缝的金属薄膜、带有光栅的金属薄膜结构等,这对光学超分辨领域的研究起到了极大的推动作用.这种金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、近场光学、高密度数据存储等领域具有巨大的应用潜力^[6-7].

　　已有的研究主要侧重于表面等离子体波耦合激发现象的分析以及亚波长器件的设计^[3-8].SPPs波是金属激发的表面波,并能在金属-介质界面传播,其原理是由于金属表面电子在外加TM偏振光作用下发生了极化.表征SPPs波的一个重要特性是:激发出的SPPs波的波矢比自由空间的波矢大,因此SPPs波具有超分辨的特性.

　　本文从SPPs的基本原理入手,对比了不同金属材料SPPs的性质,根据耦合激发的传播深度和传播距离,提出了选材的标准.以入射波长为1 050nm的p偏振光为例,系统地研究了具有亚波长狭缝的金属薄膜各项结构参数对SPPs耦合激发的影响,对器件的设计颇具指导作用.分析过程中主要采用时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)模拟的方法.

　　1　基本原理及金属材料的选择

　　SPPs是局域在导体(一般是金属)表面上自由电子与入射光子相互作用而产生的激发态激元,又称电荷密度波,以倏逝波的形式存在.如图1(a)所示,表面等离子波(SPW)在光滑的金属-介质交界面传播时,电场矢量可以分为平行于接触界面的Ex以及垂直于接触界面的Ey,其分布表述如下:

　　其中SPW以波矢kx=kSP沿界面x方向传播,传播常数为

　　式中:εi和εm分别为介质材料和金属材料的介电常数,α与β分别表示kSP的虚部和实部.在光滑的金属-介质界面上,kSP的色散曲线与入射光波矢量k0的关系[9]见图1(b),k0=ω/c,其中ω和c分别为光波角频率和自由空间的光速.一般情况下由于,在平坦的金属-介质界面上,入射光无法和SPPs耦合激发;但是如果在金属-介质界面上加入特殊结构后,改变了入射光波矢量,则将使SPPs和入射光的耦合成为可能.常用的方法主要是利用全反射结构、衍射结构、光栅微结构等,本文针对金属亚波长微结构中SPPs耦合激发的光学特性进行研究.