多層膜金屬狹縫陣列的光學異常透射特性

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1、中國科學:物理學力學天文學2015年第45卷第2期:024202《中國科學》雜志社SCIENTIASINICAPhysica,Mechanica&Astronomicaphys.scichina.comSCIENCECHINAPRESS論文多層膜金屬狹縫陣列的光學異常透射特性*聶俊英,張宛,羅李娜,李貴安,鄭海榮,張中月陜西師范大學物理學與信息技術(shù)學院,西安710062*聯(lián)系人,E-mail:zyzhang@snnu.edu.cn收稿日期:2014-06-26;接受日期:2014-10-21國家自然科學基金(批準號:11004160)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金(

2、編號:GK201303007)資助項目摘要本文設(shè)計了多層膜金屬狹縫陣列,并用有限元方法研究了該陣列的透射特性.結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的單層薄膜金屬狹縫陣列相比,多層膜金屬狹縫陣列可以實現(xiàn)介質(zhì)層內(nèi)局域電場增強,并在透射光譜中產(chǎn)生多個透射峰.此外,本文還研究了介質(zhì)層的厚度、位置周期等對多層膜金屬狹縫陣列透射特性的影響,這些結(jié)果將對調(diào)節(jié)透射峰的位置及更深刻理解多層膜金屬狹縫的光學異常透射現(xiàn)象具有一定的指導意義.關(guān)鍵詞光學異常透射,金屬狹縫,表面等離極化激元PACS:73.20.Mf,42.79.Gndoi:10.1360/SSPMA2014-00236[1][12–15]1998

3、年,Ebbesen等人研究了具有周期性亞波激發(fā),并通過孔洞或狹縫傳到薄膜的另一表面.長孔洞陣列的金屬薄膜的光透射特性.研究發(fā)現(xiàn),當研究者在研究金屬薄膜上其它形狀的孔洞或狹縫陣光照射亞波長孔洞陣列時,在特定波長處光透射率列的透射特性時發(fā)現(xiàn),亞波長金屬孔洞或狹縫內(nèi)的高出孔面積與薄膜面積比值的1–2個數(shù)量級,突破了局域表面等離激元(LocalizedSurfacePlasmon,LSP)[16–18]傳統(tǒng)孔徑理論的限制,這種現(xiàn)象被稱為光學異常透共振在EOT現(xiàn)象中也有非常重要的作用.為了射(ExtraordinaryOpticalTransmission,EOT)現(xiàn)象.當判斷

4、LSP與SPPs在EOT現(xiàn)象中的貢獻,研究者在研金屬孔洞結(jié)構(gòu)發(fā)生EOT現(xiàn)象時,孔洞陣列不僅具有究薄膜透射特性時,固定孔洞的結(jié)構(gòu)參數(shù),改變孔洞較高的透射率,而且可以獲得局域電場增強,所以的周期或者在孔中放入納米粒子以改變孔的LSP共[2–8][9]EOT現(xiàn)象與亞波長集成光學、生物傳感器、表振特性.結(jié)果發(fā)現(xiàn),LSP和SPPs均對EOT現(xiàn)象都起[10]面增強拉曼散射等密切相關(guān).著非常重要的作用,并且發(fā)現(xiàn)只有LSP和SPPs兩者[19–23][24]亞波長金屬孔洞陣列的EOT現(xiàn)象源于入射光與能量相近時,才有利于透射.此外,Ruan等人金屬表面激發(fā)的表面等離極化激元(Surfa

5、cePlasmon發(fā)現(xiàn)孔洞中的局域波導共振也能夠?qū)崿F(xiàn)增強透射.[11]Polaritons,SPPs)的耦合.當孔洞或狹縫的周期所金屬表面SPPs耦合到金屬孔洞、狹縫后,沿著金屬對應(yīng)的倒格矢與SPPs的動量匹配時,SPPs更容易被孔洞或狹縫傳播,金屬孔洞或狹縫可以看作兩端開引用格式:聶俊英,張宛,羅李娜,等.多層膜金屬陣列的光學異常透射特性.中國科學:物理學力學天文學,2015,45:024202NieJY,ZhangW,LuoLN,etal.Extraordinaryopticaltransmissionpropertiesofmultilayermetallics

6、litarrays(inChinese).SciSin-PhysMechAstron,2015,45:024202,doi:10.1360/SSPMA2014-00236聶俊英等.中國科學:物理學力學天文學2015年第45卷第2期口的法布里-珀羅腔,該腔的長度將影響金屬孔洞或縫的寬度固定為w=30nm.結(jié)構(gòu)放置于真空中,豎直狹縫中SPPs的共振波長,從而影響整個薄膜結(jié)構(gòu)的狹縫內(nèi)為空氣,介質(zhì)為二氧化硅(折射率n=1.45),二透射特性.氧化硅層的厚度為h.H1定義為二氧化硅層底邊距出自二維周期性亞波長孔陣列的金屬薄膜的EOT射口的距離,H2定義為入射口到二氧化硅層上表面

7、的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來,研究者對各種形狀亞波長孔陣列距離,則有H=H1+H2+h.光垂直于金屬薄膜方向入[25–27]的金屬薄膜的EOT現(xiàn)象進行了廣泛的研究,這射(?y方向),電場沿x方向偏振.些研究主要聚焦于單層金屬光柵結(jié)構(gòu)的EOT現(xiàn)象.本文應(yīng)用COMSOLMultiphysics有限元仿真軟近年來,多層膜周期性金屬孔洞陣列的EOT現(xiàn)象也件研究了多層膜金屬狹縫陣列的透射特性.逐漸被研究者關(guān)注,并且結(jié)果發(fā)現(xiàn)與單層周期性孔COMSOLMultiphysics是以有限元方法為基礎(chǔ),通過洞陣列金屬薄膜相比,多層膜周期性金屬孔洞陣列求解偏微分方程(單場)或偏微分方