镀银介质纳米圆柱光栅的吸收特性.doc

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1、2018 年第 31 卷第 2 期 Electronic Sci. Tech. /Feb. 15， 2018 doi： 10. 16180 / j. cnki. issn1007 7820. 2018. 02. 011 摘 要 镀 银 介 质 纳 米 圆 柱 光 栅 的 吸 收 特 性 陈黎辉，王纪俊，胡欣智，王正岭 （ 江苏大学 理学院 江苏 镇 江， 212013） 文中提出一种镀银介质纳米圆柱光栅并分析其近场和远场特性 。 利用有 限元方法研 究镀银介质 纳米圆柱 光栅的表面等离子激元特性及反射谱 、 透射谱与吸收谱之间的关系 。 研究发现，吸收峰 位置及对应 吸收值随着 结构参数 1

2、2 在同一结构参数下 吸收 峰位置也会随着外部介质折射率的改变 而变化， 。 研究结 果可以 设计一种 新型介 质折射 率检测 器，这为亚波长光栅器件研究的实 用化提供了参考 。 关键词 镀银介质； 纳米圆柱光栅 表面等离子激元； ； 吸收谱 中图分类号 TN012 文献标识码 A 文章编号 1007 7820（ 2018） 02 040 04 Absorption Properties of Nanometer Silver Cylinder Grating CHEN Lihui ， WANG Jijun， HU Xinzhi ， WANG Zhengling （ School of Sci

3、ence， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China） Abstract A silver cylinder grating has been proposed and the properties of the near or far field have been stud- ied The surface plasmon of the grating has been investigated by FEM， and the reflection， transmission and absorp- tion spectrum have bee

4、n also investigated The result shows that the wavelength of highest absorption varies with dif- ferent structure parameters The maximum absorption of 59 5% has been obtained when d1 = 230 nm， d2 = 226 nm， d = 500 nm Meanwhile， the wavelength of highest absorption varies with different media around t

5、he silver cylinder grating with the same structure parameters The result can be used to design a new detector of refractive index that has some potential application in subwavelength grating Keywords silver cylinder； nano grating； surface plasmon； absorption spectrum 随着微纳制作加工技术的不断成熟，对于亚波长 光栅的研究吸引了大量

6、的关注。利用亚波长光栅的独 特特性，人们研制出各种亚波长光栅，如超宽带高反射 率的 反 射 镜、分 束 器、亚 波 长 聚 焦 镜、透 射 光 栅 等 等 。最早， Ebbesen 等人在实验中发现 当光入射 到亚波长正方形圆孔上时，其透射率大于一般透射公 式的结果约 40 倍 。同年， Ghaemi 等人认为异常透 射现 象的原因是 由于表面等离子激元 。后来， Liu 等人研究的结果表明，这是由于在金属方形孔阵列上， 金属表面产生的消逝波导致的 。目前，人们对于亚 波长光栅的研究大多集中在纯介质和纯金属光栅，且 收稿日期： 2017-03-27 基金项目 江苏省自然科 学基金 ： （ BK

7、20161342） ； 江苏 省高校 自 然科学研究重大基金 （ 15KJA140001） ； 江苏 省 “六大 人才 高峰 ” 高层次人才（ GDZB 018） 作者简介： 陈黎 辉（ 1983 ） ，男，硕 士研 究生 。 研 究方 向： 光 电 子和光 学超 材 料 。 王 纪俊 （ 1966 ） ，男，博士，教 授 。 研 究 方 向： 光电子理论和器件等 。 40 截面多为矩型，少有对截面为圆柱型，且具有金属镀层 介质光栅的研究。本文在亚波长光栅研究的基础上， 提出了一种镀银介质纳米圆柱光栅方案，并采用有限 元方法研究其透射谱、反射谱与吸收 谱，并讨论结构参 数与吸收峰位置的关系。

8、1 金 属圆柱光栅结构的光谱特性 镀银介质圆柱光栅的结构如图 1 所示。图中的同 心圆表示的是光栅单元。其中，深色的内圆柱部分表 示的是圆柱介质材料，其折射率为 n2 ，圆柱介质材料 的半径为 d2 。灰色的环状部分表示的 是圆柱外的金 属镀银层，金属镀银 层的厚度为 d = d1 d2 ，金属圆 柱沿 x 方向以两金属圆柱距离为 d 周期性排列之后得 到金属圆柱光栅。圆柱之外的部分表示外层介质，其 折射率用 n0 表示。 在有限元方法模拟中，银的材料参数 由 Lorentz 2 2 0 www. dianz ikej i. org 。 d = 230 nm， d = 226 nm， d =

9、500 nm ， 59 5% 。 1 12 13 14 15 陈黎辉 等， ： 镀银介质纳米圆柱光栅的吸收特性 1 Electronic Science and Technology 波长的 TM 偏振光入射到金属圆柱表面时，在金属圆 柱光栅的表面形成局域表面等离子激元（ LSP ） ，当相 邻的两个金属圆柱的 LSP 靠近时会发生耦合，从而在 两个银纳米圆柱之 间形成相应的 耦合模式。与此同 时，金属圆柱内的介质圆柱部分也形成了一种驻波模 式。图 3（ c） 表明当入射波长为 640 nm 时，产生了最 图 镀银介质圆柱光栅的横截面示意图 大的共振吸收率59. 5% ，此时图中金属圆柱内的驻

10、波 入射。为了能够更好地研究 该结构的亚波长 光学性 质，入射波取为横电磁（ TM ） 波，入射波长范围为 550 1 000 nm。在模拟中，将图 1 中的结构两边设置为 周期性边界。经过对结构参数 d， d1 ， d2 的调试，其优 化的反射谱、透射谱与吸收谱如图 2 所示。图 2 中的 结构参数为 d = 500 nm， d1 = 230 nm， d2 = 226 nm，此时 金属圆柱光栅的吸收峰值最高。 图 2 银纳米圆柱光栅的入射谱 、 反射谱与吸收谱 由图 2 可知 该结构的反射率很低， ，在研究的波长 范围内其反射率低于 15% ，只有在 640 nm 处达到反 射率的最大值 1

11、7 2% 。与此同时，该结构的透射率整 体上随着入射 波长的 增加 而提高，但 在入 射波 长为 640 nm 处，其透射率突然下降到 27 3% 。而吸收率也 在入射波长为 640 nm 时达到峰值 59 5% 。 图 3 不同入射波长下银纳米管光栅磁场归 一化强度分布图 图 3 中为金属圆柱光栅的归一化磁场强度随不同 入射波长的近场分布图，其对应的结构参数为 d1 = 230 nm， d2 = 226 nm， d = 500 nm，材料参数为 n0 = 1， n2 = 1. 47。图 3 中圆圈表示圆柱的位置，由图可知，当特定 模式和两个金属圆柱间的耦合 吸收模式的强度 几乎 相等。 随着

12、入射波长的变化，金属圆柱间的局域表面等 离子激元耦合模式和金属圆柱内的驻波模式同时发生 了变化，从而使吸收率改变。如图 3（ b） 所示，入射波 长减少至 636 nm，而此时的吸收率仅为 43. 1% 。当入 射波长继续变化，图 3（ a） 中的入射波长为 622 nm，此 时对应吸收率为 20. 1% 。与此同时，图 3（ d） 的入射波 长为 644 nm，而此时的吸收率为 46. 7% ，图 3（ e） 中的 入射波长为 656 nm，此时对应的吸收率为 19. 7% 。从 图中可以发现，在入射波长为 622 nm 时，耦合模式远 强于驻波模式。但随着入射波长的增大，耦合模式强 度不断

13、降低，驻波模式强度不断增高，使得共振吸收的 值不断增高。在入射波长为 640 nm 时，驻波模式强度 和耦合模式的强度几乎一致，从而使吸收率达到最大 值 59. 5% 。之后 随着耦合模式的不断降低和驻波模， 式强度的不断升高，使得吸收率不断地降低，直至吸收 峰消失。 2 吸收峰与光栅结构参数的关系 在改变结构参数的情况下，可以对吸收峰的大小 和位置产生影响。为了考虑金属圆柱光栅的结构参数 1 2 讨论。图 4（ a） 表明，在保持 d2 = 226 nm， d = 500 nm 不 1 1 1 振波长逐渐增加。到 d1 = 239 nm 处共振波长达到最 大值 647nm，之后逐渐降低。从图

14、 4 （ b） 中可以看出， 在保持 d2 = 226 nm， d = 500 nm 不变，入射为 TM 波时， 在不同 d1 的情况下，吸收率随 d1 的变化关系。吸收 1 1 渐增大，吸收率在 d1 = 239 nm 处达到最小值，此时的 1 1 250 nm 不变的情况下，共振波长及入射光吸收率随 d2 2 2 着 d2 的增加，共振波长逐渐降低。从图 4 （ d） 可 以看 2 2 41 www. dianz ikej i. org ， d d ， TM ， d ， d 。 ， d ， d = 230 nm 59. 5% ， d 46. 8% ， d 。 4（ c） 4（ d） ， d

15、 = 230 nm，d = 。 4（ c） ， d ， d = 224 nm 642 nm， ， d = 226 nm 59. 3% ， d Electronic Science and Technology = 217 nm 时达到极小值 45. 4% 。 陈黎辉，等 ： 镀银介质纳米圆柱光栅的吸收特性 图 5 吸收率及吸收峰位置随 n 0 的变化关系 42 图 4 吸收峰与结构参数关系的示意图 吸收峰随着外部介质折射率的变化也不断变化。 当结构参数为 d1 = 230 nm， d2 = 226 nm， d = 500 nm， n2 = 1. 47 时，图 5（ a） 表明了吸收率随外部材料

16、折射率的 0 吸收峰处的吸收率不断降低。当 n0 = 1 时，吸收率达 到最大值 59. 5% ，之后随着 n0 的增加，吸收峰处的吸 收率不断降低。当 n0 = 1. 25 时，吸收率降至 14. 4% ， 之后吸收峰消失，与此同时，吸收峰的位置随着 n0 的 0 0 部折射率发生了变化，从而使得金属圆柱间的表面等 离子激元耦合模式发生变化，使得耦合模式和金属圆 柱内的驻波模式强度不再保持平衡，导致吸收率降低。 以此为基础，可以利用银纳米圆柱光栅设计一种介质 折射率检测器。通过检测浸润在介质中的银纳米圆柱 光栅的吸收峰位置，就可以根据图 5（ b） 得到该介质的 折射率。 3 结 束语 本文

17、利用有限元法研究了在 TM 波入射情况下的 亚波长镀银介质圆柱光栅的光学特性。研究发现，该 光栅在特定的入射波长处可以达到较高的共振吸收， 并且吸收峰位置及对应吸收值随着结构参数的改变而 发生变化。当镀银层外半径 d1 = 230 nm，内半径 d2 = 226 nm，周 期 d = 500 nm 时，取 得 吸 收 率 最 大 值 59. 5% 。这可以通过金属圆柱间的局域表面等离子激 元耦合模式和金属圆柱内的驻波模式两者强度的相对 关系来解释。与此同时，研究发现该结构的吸收率对 于银层的厚度变化非常敏感，吸收峰也会随着外部介 质折射率的变化而变化，以此为基础可以设计一种新 型介质折射率检测

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