金属银复合结构中的透射增强效应

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金属微结构中的表面等离子体激元(SPP)由于可用来探索电磁场如何被控制在小于波长的尺寸范围,逐渐变得非常迷人。通过改变、构造金属的表面结构,金属中自由电子与光场的作用将会受到影响,从而可以调控表面等离子体激元的性质,进一步实现光波的纳米尺度局域和传输,这为人们设计新型的亚波长光子器件提供了可能的途径。本论文将主要围绕超透射(Extraordinary OpticalTransmission,EOT)现象进行研究:我们采用电磁场的FDTD数值计算方法、分别计算研究了单层金属六方格子圆孔阵列的反常透射现象、圆孔圆环双层复合结构的反常透射效应,包括如下的一些研究工作和结果。  单层金属六方格子小圆孔阵列  1)计算了银材料六方格子圆孔阵列的透射曲线,透射峰对应一种SPP-Block模式,比平坦界面的SPP发生了一些红移,而透射谷可以借用Wood anomaly来解释。通过数值计算的坡印亭矢量分布图可以发现,透射峰值波长的能流密度沿金属表面流动汇集并且通过圆孔透射到另一侧,而对于透射谷波长的能流密度几乎全被反射回来。  2)关于单层银圆孔阵列,对比不同厚度的透射,发现厚度越薄峰值波长越加红移,透射幅值也会增加。利用Fano模型进行解释,当厚度越薄时,单独每个圆孔的影响越大,使其偏离平坦界面的SPP共振波长越大,所以透射幅值上升,峰位置红移更大。  3)给出了金属银圆孔阵列的透射率的色散曲线,看到两支SPP-Block模式。他们在kx=0附近的布里渊区中心上下劈裂错开,中间形成一个gap。  圆孔圆环双层复合结构  4)采用FDTD方法计算了复合结构的透射率曲线,然后对比分析了正反放置、几组几何参数配置、双层之间插入透明介质的透射情况。不论哪种参数配置,复合结构都明显拥有比单层打孔阵列更强的增透效果,且峰值波长相同、峰的位置更吻合于平坦金属界面的SPP波长。  5)把复合结构拆分后,计算每一层的透射曲线,发现都不具备4)的特点,所以复合结构的增透效果并不是单独每一层金属的SPP所导致的结果,而是组合后的结果。  6)画出复合结构在几个波长下的|E|2强度分布图,可以清楚地看到在峰值波长714nm位置的SPP的强度分布形状非常接近于平坦金属界面的SPP强度分布,只是光强的位置会深入到凹陷的大圆孔里面去,具备Designer SPP特征。  7)通过数值计算的坡印亭矢量分布图可以发现,透射峰值波长的能流密度沿金属表面流动汇集并且通过圆环透射到另一侧,具备SPP的显著特征。  8)计算了小波矢范围里的透射率的色散曲线,看到两支SPP-Block模式,但是与上面的结论3)情况不同,他们呈两条直线型,在kx=0附近的布里渊区中心相交于峰值波长,因此复合结构的SPP-Bloch波受到圆孔和圆环的影响较小,更接近于平坦金属表面的SPP波。  9)根据上面的5)、6)、7)、8),可以认为复合结构中每一个大圆孔等效于金属下界面的凹陷的微腔,凹陷的微腔中会存在一定的光强,而这种周排列期分布的光强相互联系在一起时就是一种等效的人工SPP(Designer SPP),进而导致复合结构的EOT效应。在适当的几何配置下,Designer SPP的强度可以达到很强,超过单层金属的情况,这就解释了上而的结果4)。
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