金屬-電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)諧振增強(qiáng)光學(xué)特性研究.pdf

1、近年來(lái)，微納尺度下光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律及其在光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、探測(cè)和傳感等方面的應(yīng)用得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究。通常，金屬和電介質(zhì)是在微納光子器件的設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中頻繁涉及的兩類材料。常規(guī)電介質(zhì)材料具有光學(xué)損耗低、光學(xué)透明波段范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)光場(chǎng)的約束能力受到自身有限折射率的限制。金屬材料能夠通過(guò)激發(fā)表面等離激元將入射光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換為自由電子的集群振蕩并在其表面?zhèn)鬏?，甚至?shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)小于十分之一波長(zhǎng)的約束。但其極高的光學(xué)

2、損耗引起的信號(hào)衰減和熱量產(chǎn)生，又使得金屬材料在某些應(yīng)用中飽受詬病。如何利用這兩類材料實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的有效調(diào)控，即對(duì)光的吸收和透射能力進(jìn)行準(zhǔn)確操縱，已成為各類功能性微納光子器件共同面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。某些應(yīng)用甚至還要求器件在保持優(yōu)越的光學(xué)透過(guò)率的同時(shí)擁有良好的導(dǎo)電特性。本文著眼于上述考慮，提出基于電磁諧振增強(qiáng)金屬-電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的研究設(shè)想，并在可見(jiàn)和近紅外波段獲得具有光學(xué)高吸收或者高透過(guò)性能的微納光子器件。全文圍繞以下兩方面的研

3、究工作展開(kāi)論述:
　　在光學(xué)吸收器研究方面，我們從電磁諧振增強(qiáng)金屬-電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收特性入手，設(shè)計(jì)了兩種吸收器:極窄帶吸收器和空間雙向吸收器。前者通過(guò)金屬-電介質(zhì)層狀交替堆疊構(gòu)造法布里-珀羅諧振腔，結(jié)合金屬本征損耗，使得僅在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射光會(huì)局限在結(jié)構(gòu)內(nèi)部并轉(zhuǎn)化為熱損耗，而其他波段的入射光則發(fā)生全反射。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，工作波長(zhǎng)能夠在可見(jiàn)和近紅外波段靈活調(diào)節(jié)，最小吸收帶寬可降低至2nm。后者則基于表面等離激

4、元諧振，由“金屬-絕緣體-金屬”經(jīng)典架構(gòu)吸收器衍生而來(lái)。我們采用上下表面分布不同周期的金屬陣列，中間填充電介質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)了近紅外波段空間雙向高效吸收，且吸收效果對(duì)入射光偏振不敏感。
　　在諧振增強(qiáng)金屬透射研究方面，我們依舊基于上述“金屬-絕緣體-金屬”結(jié)構(gòu)，在可見(jiàn)和近紅外波段實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)偏振不敏感且具有廣角工作特性的減反增透覆層。與以往的異常光傳輸現(xiàn)象不同，該設(shè)計(jì)針對(duì)的是無(wú)縫平整金屬薄膜，利用表面等離激元諧振，在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)

5、顯著的減反增透效果。仿真結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠獲得70％以上的1030nm入射光能量透過(guò)20 nm厚的連續(xù)銀膜，而相同厚度的單層銀膜在同樣波長(zhǎng)條件下的透過(guò)率只有15％左右。考慮到微納加工的實(shí)現(xiàn)難度和樣品的保存測(cè)試等因素，我們根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，對(duì)厚度為20nm的連續(xù)金膜進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化。測(cè)試結(jié)果表明，減反增透覆層可以使得金膜的透過(guò)率在930 nm達(dá)到40％，與單層金膜和連續(xù)的金屬-電介質(zhì)-金屬層狀結(jié)構(gòu)相比分別實(shí)現(xiàn)了2倍和8倍以上的透過(guò)