纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构增强光透射

岳宏卫，邓进丽，朱智勇，杨宏艳，王宏庆，郑 龙，刘新英，肖功利



纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构增强光透射

岳宏卫1a，邓进丽1a，朱智勇1a，杨宏艳1b，王宏庆1a，郑 龙1a，刘新英1a，肖功利1a,2

( 1. 桂林电子科技大学 a. 信息与通信学院；b. 计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004；2. 广西信息科学实验中心，广西 桂林 541004 )

采用时域有限差分方法研究了纳米狭缝的宽度，圆孔半径、矩形的长和宽对纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构增强光透射特性的影响。研究发现该结构与圆孔阵列、圆-矩形复合孔阵列两种结构相比较，光的透射率得到了显著的增加，这表明本文提出的纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构中的表面等离激元和局域表面等离激元两种模式相互耦合起了关键作用。纳米狭缝宽度是影响光透射的主要因素，纳米狭缝宽度为55 nm时，透射率达到89%，半宽度达129 nm；圆孔半径、矩形孔的长和宽、周围环境介电常数等参数也影响透射率与共振峰位置：随着圆孔半径、矩形孔宽度的增大，透射率明显增强，同时共振峰蓝移；随着矩形孔长度和周围环境介电常数的增加，共振峰有规律的红移。

物理光学；表面等离激元；增强光透射；纳米狭缝；纳米孔阵列；时域有限差分

0 引 言

自从1998年Ebbesen等[1]首次发现光通过金属亚波长周期性孔阵列时的异常透射(Extraordinary Optical Transmission，EOT)现象以来，基于金属亚波长孔阵列结构的各种光学现象引起人们广泛的关注，研究者在探索EOT现象物理机理[2-3]的同时还设计具有更好的增强光透射的金属亚波长孔阵列结构。对于EOT现象的机理，Genet和Ebbesen[4]发现纳米孔阵列的EOT现象源于入射光与表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的耦合：当孔阵列的周期所对应的倒格矢与SPPs的动量匹配时，SPPs容易被激发，并通过孔穿到薄膜的另一面。最近研究发现，由于局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon Resonancas，LSPRs)具有克服衍射极限的能力、最小化尺寸和电场约束[5-6]的独特性能，LSPRs在周期性金属纳米孔阵列结构(包括圆形、矩形、三角形和复合孔的纳米结构[7-10])的EOT现象中也具有重要作用。目前，很多基于LSPRs和SPPs理论的器件(如等离激元滤波器、传感器和波导[11-13]等)已经在理论和实验上得到验证。其中，采用复合纳米孔阵列结构来提高透射率成为国内外研究热点，例如，Liu J Q等[14]通过双套圆孔排列成矩形纳米孔阵列结构在千兆赫兹范围内获得高透射率；Zhang X等[10]设计的复合矩形纳米孔阵列结构通过两种模式的LSPRs的近场耦合获得高透射率，在他们的研究中，SPPs和LSPRs在增强光透射中都具有重要作用。然而，如何采用一种结构使SPPs和LSPRs直接耦合来增强光透射的研究却少有报道。 基于上述思路，在参考文献[7]和[8]的基础上，拟采用纳米狭缝把圆孔和矩形孔两种阵列连接起来构成一种新型的纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔正方形阵列结构，以实现一种可调谐、增强光透射的光谱。采用有限时域差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)对该结构进行了数值仿真。结果表明，当使用纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构后，透射效率得到显著的增强，这主要是由于圆孔阵列产生的SPPs和矩形孔阵列产生的LSPRs通过纳米狭缝耦合的结果。同时模拟结果证明了该结构的峰透射率()和共振峰位置()与纳米狭缝的宽度、圆孔的半径、矩形孔的宽度和长度以及周围环境介电常数有关。这些发现为SPP滤波器和MEMS红外辐射源器件的设计提供理论参考。

1 结构设计与数值模拟

本文设计的纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构三维示意图如图1(a)所示，金属薄膜为金，厚度为50 nm，纳米狭缝、圆孔和矩形孔中的电介质均为空气，其介电常数=1。该结构的单周期在截面上的示意图如图1(b)所示，在和方向上均呈周期排列，周期为400 nm，且固定不变；圆孔的半径为，矩形孔的长和宽分别为和，纳米狭缝的宽为，周围环境介电常数为；圆孔和矩形孔的中心距离为75 nm，且固定不变。高斯光束的入射方向为，即垂直入射；电场沿轴方向；入射光波长范围为400 nm~1 800 nm。

透射率表示光透过金属孔阵列的效率，其定义为

2 结果与讨论

为了深入研究该结构增强光透射特性，本文系统讨论了、、、以及对增强光透射的影响。图3(a)为保持=40 nm，=100 nm，=25 nm不变，不同时透射率与波长的关系图。随着以5 nm为步长从20 nm增加到35 nm，逐渐增大，有微少蓝移现象，同时半宽度从92 nm增加到113 nm。

这是因为随着的增大，圆孔与矩形孔之间纳米狭缝的长度减小，使得圆孔阵列产生的SPPs与矩形孔阵列产生的LSPRs通过纳米狭缝相互耦合作用加强，进而使得增大和蓝移。图3(b)为保持=40 nm，=25 nm，=30 nm不变，不同时透射率与波长的关系图，随着以10 nm为步长从100 nm增加到130nm，没有明显的改变，有规律的红移，且半宽度保持110 nm不变。这主要可能是因为纳米狭缝的长度不随的变化而变化，且高斯光束的电场沿方向，SPPs和LSPRs主要沿方向传播，的变化不影响它们的共振条件，所以圆孔阵列产生的SPPs与矩形孔阵列产生的LSPRs通过纳米狭缝耦合作用保持不变，因此，在这种条件下，该结构的保持不变。图3(c)为保持=100 nm，=30 nm，=25 nm不变，不同时透射率与波长的关系图。随着以10 nm为步长从20 nm增加到50 nm，从79%增加到82%，半宽度从110 nm增加到120 nm，从1 114 nm线性蓝移到943 nm。图3(d)为与的关系图。这是因为随着的增大，纳米狭缝的长度减小，使得圆孔阵列产生的SPPs与矩形孔阵列产生的LSPRs通过纳米狭缝相互耦合作用加强，进而使得增大和蓝移。

式(3)表明了该结构对不同介电环境具有较高的光学灵敏性，因此该结构也可应用于高性能SPP传感器的设计[17]。

3 结 论

本文采用FDTD法从理论上系统探讨了、、、等几何尺寸参数和材料参数对纳米狭缝耦合金属圆-矩形复合孔阵列结构增强光透射特性的影响。主要研究结果如下：1) 该结构相比较于单一圆孔阵列和圆-矩形复合孔阵列两种结构而言，展现出了较好的增强光透射特性，其达到82%，与单一圆孔阵列和圆-矩形复合孔阵列两种结构相比，分别为67%和52%，这主要是由于圆孔阵列产生的SPPs和矩形孔阵列产生的LSPRs通过纳米狭缝的耦合作用使得光透射增强；2) 通过改变、和，可以调节的大小，当=55 nm时，达到89%，同时，随着、或的增大，有规律的蓝移，随着的增大，有规律的红移；3) 通过改变，随着不断增大时，有规律的红移，最大半宽度达129 nm。这些发现可为利用该结构的增强光透射特性设计SPP滤波器和MEMS红外辐射源器件提供理论参考。

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Extraordinary Optic Transmission of Metallic Circle-rectangular Compound Hole Array with Nano-slit Coupling

YUE Hongwei1a，DENG Jinli1a，ZHU Zhiyong1a，YANG Hongyan1b，WANG Hongqing1a，ZHENG Long1a，LIU Xinying1a，XIAO Gongli1a,2

(1. a. School of Information and Communication; b. School of Computer Science and Engineering,Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi, China;2. Guangxi Experiment Center of Information Science, Guilin 541004, Guangxi, China )

The effects of the radius of the circle, the length and width of the rectangular and the width of the nano-slit on extraordinary optic transmission of metallic circle -rectangular compound hole array with nano-slit coupling are investigated using the finite-difference time-domain method. The results show that, compared to circle hole array and circle-rectangular compound hole array, the transmittance of the optical transmission for the structure is significantly increased, which suggests that coupling effect of surface pasmon polartion and localized surface plasmon by nano-slit is the key role. The main factor that affects the optic transmission is the width of the nano-slit, and the transmittance is 89% and the full width at half maximum is 129 nm when the width of the nano-slit is 55 nm; the parameters such as the radius of the circle, the width of the rectangular and the dielectric constant of the surrounding environment, are also the factors that affect the transmission and the position of the resonance peak with the increase of the radius of the circle and the width of the rectangular, the transmission intensity is obviously enhanced, and the blue shift of the resonance peak. The red shift of the resonance peak is accompanied with the increase of the dielectric constant of the surrounding environment and the length of the rectangular.

physical optics; surface plasmon polaritons; traordinary optical transmission; nano-slit; nanohole array; finite-difference time-domain method

1003-501X(2016)08-0007-06

O436

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.002

2015-10-14；

2015-12-23

国家自然科学基金项目(11264009，61465004)；广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019338)；桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(YJCXS201514)

岳宏卫(1967-)，男(汉族)，广西贺州人。博士，副教授，主要从事超导电子学器件与毫米波源和微纳器件方面的研究。E-mail：guetyhw@163.com。

肖功利(1975-)，男(汉族)，湖南衡阳人。博士，副教授，主要从事纳米光电子器件方面的研究。E-mail：xgl.hy @126.com。