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

1、近年來，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、探測和傳感等方面的應(yīng)用得到國內(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)計和制備過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，但其對光場的約束能力受到自身有限折射率的限制。金屬材料能夠通過激發(fā)表面等離激元將入射光場的能量轉(zhuǎn)換為自由電子的集群振蕩并在其表面?zhèn)鬏敚踔翆崿F(xiàn)對光場小于十分之一波長的約束。但其極高的光學(xué)

2、損耗引起的信號衰減和熱量產(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現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的有效調(diào)控，即對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的關(guān)鍵問題。某些應(yīng)用甚至還要求器件在保持優(yōu)越的光學(xué)透過率的同時擁有良好的導(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，并在可見和近紅外波段獲得具有光學(xué)高吸收或者高透過性能的微納光子器件。全文圍繞以下兩方面的研

3、究工作展開論述:
　　在光學(xué)吸收器研究方面，我們從電磁諧振增強金屬-電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收特性入手，設(shè)計了兩種吸收器:極窄帶吸收器和空間雙向吸收器。前者通過金屬-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，使得僅在特定波長范圍內(nèi)的入射光會局限在結(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。理論計算和實驗測量結(jié)果表明，工作波長能夠在可見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。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，實現(xiàn)了近紅外波段空間雙向高效吸收，且吸收效果對入射光偏振不敏感。
　　在諧振增強金屬透射研究方面，我們依舊基于上述“金屬-絕緣體-金屬”結(jié)構(gòu)，在可見和近紅外波段實現(xiàn)了一種對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)計針對的是無縫平整金屬薄膜，利用表面等離激元諧振，在特定波長范圍內(nèi)實現(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)計能夠獲得70％以上的1030nm入射光能量透過20 nm厚的連續(xù)銀膜，而相同厚度的單層銀膜在同樣波長條件下的透過率只有15％左右?？紤]到微納加工的實現(xiàn)難度和樣品的保存測試等因素，我們根據(jù)以上設(shè)計原理，對厚度為20nm的連續(xù)金膜進(jìn)行了重新設(shè)計和優(yōu)化。測試結(jié)果表明，減反增透覆層可以使得金膜的透過率在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)相比分別實現(xiàn)了2倍和8倍以上的透過