一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法

技术领域

本发明为一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法，尤其适用于金属-介质界面上表面等离子体激元定向激发场合。

背景技术

全面控制光线的能力一直是一项重大的科学追求。光信号能否只被发射到一个用户期望的方向，已经引起了研究人员巨大的关注。随着纳米光学的发展，光场操控已经缩小到纳米尺度，一些纳米级器件已经被提出且应用，在这些器件中，纳米天线不仅能够在纳米尺度上控制光，而且一些精细化设计的纳米天线可以有效控制光场的方向。这种现象在通信、太阳能电池和传感器等方面应用广泛。

表面等离子体作为纳米光子学近些年来的一个新兴领域已经取得了明显的进步，表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是在外部光激发下与金属表面电子的集体振荡耦合产生，并沿金属-介质界面传播的倏逝波。当表面等离子激元沿着金属表面传播的时候，只有在端口处才会出现电磁场，并且向两侧以指数衰减。通常只有垂直于槽或金属表面本身的入射光分量可以耦合到SPPs中，由于较强的光电子耦合和近场性质，SPP提供了诱人的特性：SPP波长小于对应的自由空间光波长，能够突破衍射极限，通过在金属介电界面上制造纳米结构和通过改变入射光源的波长和偏振等光学参数实现在亚波长范围对光的限制和操纵。

如果能对SPPs的发射方向进行控制，那么表面等离子体领域的应用将更具潜力。一些基于SPPs定向发射的几何结构已经被提出，在文献[Applied Physics Letters 97.4(2010).]中研究者提出了一种由传统纳米槽和纳米槽组成的非对称单纳米狭缝，不对称结构的上部作为Fabry-Perot纳米腔，在背面照明下有效地产生单向SPP，首先激发纳米狭缝下部的本征模，然后产生两个SPP，一个沿纳米槽底部向左传播，另一个沿前金属表面向右传播，沿纳米沟槽底部的SPP在非对称结构上部的两壁之间来回反射，并分散在前金属表面的SPP中，最终可以在前金属表面产生不对称的SPP。在文献[Nano letters 11.7(2011):2933-2937.]中研究者设计了一个不对称纳米狭缝，当p偏振光平行于狭缝从背面照亮结构时，沿槽底部的纳米光产生的SPPs在槽的两壁之间来回反射(等同于将纳米狭缝作为FP腔)，给不对称狭缝涂上光折射聚合物，折射率的实部可以通过泵浦光束改变，因此，通过改变折射率的实部和结构大小可以改变FP腔内SPPs的干涉状态，以实现利用泵浦光束对SPPs激发的全光控制。在文献[Optics Communications 285.2(2012):182-185.]中研究者在金属薄膜中制备了两个亚波长孔，通过改变填充在孔中的介电材料，可以调整两个孔出口端产生的SPP的相对相位，SPP因此可以沿一个方向进行建设性干涉，而沿相反方向进行破坏性干涉。在文献[Nano lett-ers 14.2(2014):704-709.]中研究者提出了由两个不同长度的光槽纳米天线组成的非对称光槽纳米天线对SPP进行定向耦合，实现了对SPPs的宽带单向发射。在文献[Nano letters 15.5(2015):3115-3121.]中研究者通过在单元件等离子体纳米天线上添加了一个辅助结构，将高效的低阶天线模式可以有效地转移到高阶模式中，利用不同天线模态之间的干涉，达到操纵光场的效果。在文献[Scientific reports 6.1(2016):32345.]中研究者将金属缝替换为一个辅助金属槽，对于所设计的不对称结构，其上部可以当作法布里-珀罗纳米腔，最终在结构上表面左右两侧所发射的SPP可以具有不同的强度。这些方案都依赖于一些静态的、内置的不对称性，这有利于SPP朝特定方向发射。因此我们可以利用SPPs的这些特性以及纳米天线的设计，实现SPPs定向激发。

发明内容

本发明提供了一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法。

本发明提供的一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法是这样实现的：

所述的实现表面等离子体激元定向激发的纳米天线结构如图1所示，由衬底1、金属层2、被PMMA介质填充的不对称型狭缝3组成。具体实现方法是从衬底1下表面垂直向上入射x偏振光，SPPs在亚波长纳米狭缝中被激发且传播，由于内置结构的不对称性，SPP在金属层2上表面产生定向发射，所述不对称型狭缝3内填充有电绝缘性良好、耐热的PMMA材料，不对称型狭缝3的狭缝尺寸参数依据x线偏振光耦合出不同向的等离子体波的消光比大小来设计。将不对称纳米狭缝3分为三层来进行分析，选用固定波长的x线偏振光作为入射光，当光源从衬底1下表面垂直向上入射后，在第一层狭缝处沿金属介质界面上可以对称激发SPPs并传播，第一层狭缝的厚度h1应大于入射波的趋肤深度，以防止金侧剩余的强入射场能量。当SPP传播至第二层狭缝结构时，沿狭缝右侧壁金属介质界面传输的SPP继续沿+z轴方向传输，由于在第三层狭缝中填充了电绝缘性材料PMMA以及第二层狭缝下表面和上表面不连续，所以此时第二层狭缝可以看作是一个条形波导，沿第一层狭缝左侧壁金属介质界面传输的SPP以及在第一层狭缝和第二层狭缝交界处激发的SPPs则沿第二层狭缝下表面-x方向传输，且沿第二层狭缝下表面传输的SPP很难传输至第二层狭缝上表面，因此第二层狭缝的高度h

该表面等离子体定向激发结构具有极强的光束缚效应，能突破衍射极限的限制，在纳米尺度对光进行传输。通过计算沿金属层2上表面端口左右两侧方向传播的SPP的消光比(Extinction Radio，ER)，ER在λ

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明相比于其他的SPP定向激发结构，能在更宽的波长范围内实现较高的消光比，产生了宽带定向SPP激励。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法的结构示意图。

图2是本发明一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法的结构正视图。

图3是本发明一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法的SPP强度空间分布仿真结果图，图3(a)代表该结构被光源入射后沿XZ面的SPP强度空间分布结果，图3(b)代表该结构被光源入射后金属层2上表面XY面的SPP强度空间分布结果。

图4是本发明一种基于纳米天线实现表面等离子体激元定向激发的方法在不同w

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的实施方式：

如图1所示，本实施例中实现表面等离子体激元定向激发的纳米天线结构由衬底1、金属层2、被PMMA介质填充的不对称型狭缝3组成。

利用FDTD方法对所提出的结构进行了数值证明，对结构进行建模，光沿硅衬底侧垂直入射，x方向的仿真区宽度设置为1.1μm，y方向仿真区宽度4μm，z方向的仿真区宽度设置为4μm，狭缝内部折射率设置为1.49，我们初始设置结构参数为三个狭缝的宽度和高度分别为w

波长相关特性是定向纳米天线的一个重要方面。图4显示了在不同入射波长下该结构所实现的ER光谱。定向SPPs激发在λ

我们利用FDTD对所提出的结构进行参数扫描优化，固定w

另一个相关特征是SPP在不同波长下发射方向的反转情况。定义反转波长λ

在本发明中，能实现在λ

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。