（光学专业论文）亚波长金属结构中表面等离子体调控机理及应用研究.pdf

第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的发展裁豳家耧益静篱求，僖息技术渗透了藿琵经济和社会 发展的各个领域和各个层次。现代信息技术对于器件微型化和高度集成化的要 求，要求单元器件的尺寸越来越小，器件的空间距离也越来越小( 均要突破光学 衍射极限，基于传统光学的基本原理帮技术因受衍射极限的限制，在纳恭尺度 屡嚣和结擒上就难以实瑗与就相关翁蓿惠的传瓣、处理翻棚关技寒应耀等，不 能满足科学技术发展的需要，因此迫切需要实现突破衍射极限的新机理和新技 术；同时纳米尺度器件也表现出传统器件所不具有的新现象、新功能和新应用。 缡米光子学( 魏n o 磷。埝n i e s ) 就是在这种背景下产生蕊前沿科学( 0 融珏巍氇l ， 2 0 0 2 ) 。纳米光子学利用光学近场作为信息载体，通过纳米爨级的光学元器件与 光学近场之间的局域电磁相互作用，实现光学信息的传递、提取、处理、放大、 探测、传感等，是对近场光学( n e 辨舔e l do p l i c s ) 痰用方面的种发展。光学近场 翦巍量传递、场羯域、增强、调控及萁应瓣等是纳米光子学研究孛重要豹基础 内容。法、日、美等发达国家先后投入了直大人力和财力进行相关的基础和器 件研究工作。纳米光予学器件本身涉及多学科交叉，其光学行为将从波动光学 范畴扩展到近场光学、量子光学糯徽区菲线性光学等领域。作先实现量予调控 的新代戆信惠技术重要研究蠹容之一，纳米光子学已经列入了蓬家中长期科 技规划。 露前国际上实现纳米尺度的光学控制主要有两种方法。一种方法是基予光 子鑫体( 鹣翻i c 铆啦l s ，戳：s ) ，剩焉躅嬲性的光子鑫俸结擒可数控制光鲍色散 和传播性质( j o h n s o nc ta l ，2 0 0 2 ) 。通过对光予晶体带隙结构的适当剪裁，可以 控制某个波段的光透过，通过弓i 入缺陷还可以控制光的传输方向，从而实现光 子学圈路与被动光学元 孛的光互联器件，如滤波器、波导、纳米徽整等。爨蘸 光予螽俸结构大部分是三维结构，对结耨设计和制作都提蹬了较高豹要求。 另外一种实现光集成的方法是基于表面镩离子体( s u 俄c ep k m o 眦，s p s ) 。 表面等离子体是金属表面自由电子隧入射光乎同频率集体振荡产生的一种表藤 第l 章绪论 束缚的电磁波( r a e t i l e r 1 9 8 8 ，a g r a n 0 v i c h ，1 9 8 2 ) ，它是存在于金属表面的一种非辐 射局域模式。相比光子晶体，利用表面等离予体可以将光学控制的维度从三维 降失：维，实现纳米尺度超衍射极限的光传输的有效调控，同时哥在纳米尺度 上电磁能量局域汇聚放大，其空间尺度受限、场空闻局域增强的特点，在微纳 传感探测、纳米光子器件设计及其集成等纳米光子学领域具有重要应用。网前， 随着纳米科学技术、近场扫描探针技术等的发展，国际上关于纳米尺度中的各 种展域光学效应及表面等离子体在纳米光子学领域昀应蔫帮相关器件研究得到 了广泛重视和蓬勃发展。亚波长金属微纳结构是激发和控制表面等离子体的主 要结构。有效激发表面等离子体的金属微结构光子器件不仅能改善传统器件的 性能，焉且会产生一些薪奇的物理现象以及实现薪的器件功能，因恧在微纳光 子学、生物医学、信息等领域有着广阔的应用前景。 。2 表面等离子体研究的历史背景 1 7 0 4 年当牛顿利用棱镜首次观测到了与衰逝场( c v a n e s c e n tf i e l d ) 相关的光的 全反射现象，虽然衰逝场的概念当时还没有提出来( n e 叭o n ，1 7 0 4 ) 。z e n n e c k ( 1 9 0 7 ) 和s o 黻m e 疵l d ( 1 9 0 9 ) 分别予1 9 0 7 年和1 9 0 9 年在理论土证明了损耗介质( 或金属) 和非损耗介质的界面上支持一种射频表面电磁波( r a d i o 懿q u e n c y s u 廊c e e l e c t r o m a g n e t i cw a v e s ) ，对金属表面趋肤效应的这种研究工作被认为是对袭逝波 存在的首次认知。随后b o u w k a l n p ( 1 9 5 0 ) 对z e n n e c k 和s o m m e 峨l ( i 的关予表面波 的王作进行了总结和修正。m i e ( 1 9 0 8 ) 和d e 蚵e ( 1 9 0 9 ) 分剩于1 9 0 8 年和1 9 0 9 年在他们的著名论文中详细讨论了单个金属球的电磁波散射问题。随后 f a n o ( 1 9 3 6 ，1 9 3 7 ) 在1 9 3 6 年意识到金属光栅衍射谱的异常现象( w b o d s 锄o m a l i e s ) 和局域在光橱表西的束缚电磁模式有关。在1 9 4 4 年，b e t k ( 1 9 4 4 ) 提出一种用 包括磁荷的严格模型去求解亚波长孔径的衍射问题，在其模型中徽孔外近场区 域是可以被考察的，但在当时的条件下，对近场区域无法进行实验研究，所以 被忽略了。1 9 5 7 年蹦t c h i e ( 1 9 5 7 ) 从理论上证明了表面等离子体激发现象的存在。 1 9 5 7 年s 绝菇和f e 黼l l ( 1 9 5 7 ) 指出金属表面存在着和表匿等离子体藕合的电磁辐 射，并首次推导了这种金属表面电磁波的色散关系。1 9 6 0 年p o w e l l ( 1 9 6 0 ) 和s 、) l ，趴 实验上用电子束观测到了薄金属膜上表面等离子体的激发。o t t o ( 1 9 6 8 ) 于1 9 6 8 年耀他首剑的衰减全反龛| 翟殴n u a l e dt o 饶lr e f l e 貔i o n ，删方法在实验中实现光波 2 簿l 搴绻谂 频段的表面等离子体的激发。现在广泛应用的暗场照明模式近场光学盥微镜 口s 1 m ) 正是基于o 蛳的实验构想，同年k 诧t s c h m a n n ( 19 6 8 ) 和r 艄t i l e r 改进了o t t o 结构，挺逡了瑗在羧广泛应用酶激发s & 嚣k 涨潮煳模型。揍下来壹捌歹弋十 年代耪有关s 羚鹃研究工捧在a g 黻v 瓷h ( 1 9 裁翡书孛有菲常垒面熬综述。 上个世纪八十年代，扫描隧邋显微镜( s c 黜n i n gt u n n e l l i n g 枞i c r o s c o p e ，8 n 田 的发明l ：b 汹n i n ge 毫趣l 1 9 8 2 ) 大大推动了传统的遴场光学向近场光学的发展。1 9 8 隼 年瑞士蒸黎董毽麓研究室羹黻鞠囊攀拿s 餐等入璎蠲藏功了氆赛上第一螽避场 扫描光学显微镜o 糟舯6 e 韬s c a n n i n go p t i c a lm i c s c o p y ，n s o m ) 。随着n s o m 的 出现，使得在金属袭两探测s p s 成为可能( t s a ie ta l ，1 9 9 4 ，a d a mo ta l ，1 9 9 3 ，黜d d i c k 醛a l ，l 擎s 挚，轺s 熬教射弱局域镶蒺褥囊了广泛翡骚究，形成了二缝等离子俸蹩 学零鑫糯e s 鬟蠢，2 ，豫e 裙貔采，2 0 0 l ，x 怼腿躐矮，重多9 戈嚣铷融霸伦l 峨戏藏，l 势9 蔹 b o z h e v o i n y ie ta l ，1 9 9 5 ) 。表面等离乎体光学仍然属于近场光学的范畴，顾名思义， 它是以旋霹等离子体为核心研究内察鲍薪兴学料。在1 9 9 7 年，b o z h e v o h 科i 帮 两簸i 鼓在蓠太懿研究基箍上鬟擞二维表瑟等离予俸麦学斡设怒舞痰瑰避褥了 一些原理性实验，尝试运用类似于光束控铡的方法控制表筒婷离子体韵= 维传 播o 拍e v o l n y i ，1 9 9 7 ) 二维等离予体光子晶体也液现出带隙结构( b o z i l e v o m y ie t a l ，2 0 0 l ，s a l o m o n 醚糕l ，2 l ，b 嬲燃髓媳1 9 粥) 。s 瓠光波导，驻波长魏径菸增强透 过现象戮及竞撩巍速巍开美疑实验器理论主都褥劐了广泛懿谂证? ( s m o l y a n i n o v 2 0 0 2 ，耥b e s 朋，1 9 9 8 ，b o z l l e v o l n y i 尊t 魏l ，2 0 0 1 ) 。伴随着纳米科技的蓬 勃发展，纳米光予学不再仅仅局限予对非辐射寒缚模式的机理研究，而且拓展 垂建爝领域。谗多霄趣熬表瑟等褰予捧光学嚣释苓甄蟪宾前推进池i 鳆2 鼬7 ) ， 如光波导( b o z & l 州i 裁a i 2 0 0 氐w e e b e r 2 0 0 1 ) 、反射镜国a 旗e v o l 两，1 9 9 7 ) 、 s p s 干涉仪( d i t l b a c h 。r 2 0 0 2 ) 、盘臌透镜( s h i 龇a l ，2 0 0 5 ，s u ne ta l ，2 0 0 4 ) 等。s p s 的奇特性震使其在鼗波长光学、垒宠集成、光存德、光激发、生钫光子学等方 垂发挥越来蘧重要熟裕震。 l 。3 表面等离子体亚波长光学的形成和发展 2 0 年，b 躞8 藕e 酌铺铋越为s 强国c e 擎i a s m o ns 曲、) l 删e l e n g 函0 辫i c s 的文章在n a t u r c 上的发表，标志糟液面等离子体驻波长光学( 期s o ) 这一新擞学 科的形戏。随着近弱光学理论研究蜒尽益深入和薅精度纳米擞王按术躲逐渐成 3 第1 章绪论 熟，该学科的出现是有其必然性的。科学研究的深入发展，致使学科间的界限 逐渐模糊。表面等离子体亚波长光学脱胎于近场光学，成长于纳米技术的发展， 它将s p s 作为信息载体，以金属微结构为s p s 的主要存在环境( 类比于光学研究 中光与介质) ，主要研究s p s 与金属微结构的相互作用、s p s 与其他信息载体( 光 子) 的相互耦合等相关理论和应用问题。s p s 在光学、磁光存储、显微术和生物 检测方面日益显露头脚。 表面等离子体是沿金属导体表面传播的电磁波，它是入射光子和金属表面 的自由电子相互耦合形成的“局域”电磁模式，有时也称其为表面等离子体激 元( s u 晌c ep l a s m o np o l a r i t o n s ，s p p s ) ( b u r s t e i n ，19 7 4 ) 。金属表面自由电子在入 射光场的激励下集体相干振荡，这种相互作用产生了s p s 并赋予它独特的性质。 f i g 1 1 用金膜做成s p s 条形光波导。金膜厚度4 0 册，宽度2 5 岫，激 发波长8 0 0 姗，( a ) 图是扫描电镜得到的照片；( b ) 图是p s t m 得到的照片。 引自文献( b a m e se ta l ，2 0 0 3 ) 。 在光学领域，s p s 吸引入之处在于能够突破衍射极限、在亚波长结构中传输 第l 章鳍论 光场利用它可以制作现有电予学元件无法匹敌的小型化功能型光子学集成回 路。这种回路首先将传播光场转化为s p s ，然后传输，在它们重薪转化为传播光 场之前焉逻辑元件进行信意处理。铡终这种隧路薷要各种各样藩元器件，懿s p s 波导，开关，耦合器等当前研究工作正致力子这些元器件的实现。圈1 1 是 个4 0 n m 厚的金膜做成s p $ 条形光波导的实例 表蚕等离予体具有表1 嚣羯域和近场增强鼹令独特性虞，金属独特的介毫性 质造就了s p s 的甄波长空阕局域释毫场增强特性，这点在下一章中有详缨的 介绍。这里需要指出的是，髑域电场增强可以用于调控光与物质相互作用并促 进了非线性光学现象的产生，例如金属结构可以增强表面增强喇曼显微镜 ( s n 彘e 馥a l l c 挺墨汹雅s 辫缸镪嚣，s e 薹塔信号，麸两震予单分子探测 ( 誊沁e i p pe la l ，1 9 9 7 ，n i ee ta l ，1 9 9 7 ) 。与s & 有关的菲线性效应方面的研究是表面 等离子体亚波长光学的一个新方向( s m o l y 被酗o v 2 0 0 5 ，w u n ze ta l ，2 0 0 6 ) 。同时， 负折射率介质是娄翦冒际研究熬薪兴热点，该领域研究发现负折射物痰豹一些 奇特性质在现实世界酌金属中也是存在懿，劳和驰s 密切糨关浓豫e ta l 。2 0 ) ， 这也为s p s 研究和应用开辟丁一条新的道路。另外，s p s 的这种场增强效应还适 台用于高灵敏魔的传感器，已经有商用的用于生物分予探测的传感器报导 e i 印酸馥2 2 ) 。 1 3 1 表面等离子体的激发和近场特性研究 要实溪瑟表掰等离予体躬控制鬻应焉，蓄先萎能够将其宥羧激发。图薹。2 掰 示的简单结构中金属膜介电常数为，在金属表面传播静s p s 的电场可以表示失 ( r a e t h e r ，1 9 8 8 ) ： 似力= 乓e x p 苫一屯潍 羔。1 ) 该式明确表瞬s 鹣的表面局域特性，其电场强度沿着垂囊金属表面方向指数衰 减。另外，给出s p s 在无限大金属平面上的色散关系( 1 轴油e r ，1 9 8 8 ) ： 碡= | 竺l 童k 旺2 ) c 嚣l s 麓 研是与金属膜相邻介质的介电常数。由图1 2 中s p s 的色散曲线，可看出：表面 等离子体的波矢大于光子波矢，所以在光滑平面上无法直接和光发生耦合。 第l 章绪论 f i g 1 2 金属膜界面上的s p s 及其色散关系示意图 最初为了磺究s p s ，采用电子激发方式，但是对子小波矢的情况，幽子电子 束宽度的限制不能得到令人信服的实验结莱( r 蠡e 氆e r ，1 9 8 8 ) 。要实现光激发， 从理论上讲需要对光波矢给予补偿，使其能够和s p s 的波矢匹配。嗣前成功实 现波矢补偿主要有两个渠道：利用光予隧道效应的衰减全反射法朋限结构 ( 墨蕊s c h 氆强n ，融e 丞髅，1 9 6 8 ，o 韵，1 9 6 8 ) 移衍射补偿法。 k r e t s c h m a n n r 量e t l l e f 结构适用于金属薄膜，如图1 3 ( a ) 所示，入射光以大于 全反射角的角度入射，利用棱镜的锄咖进行波矢补偿，类似于油浸透镜的原理。 波矢匹配方程如下： 卉l ，_ _ _ _ _ 一 k = = 肭s i n 移 ( 1 3 ) c 沿金属与空气界面方向的光予波矢分量在特定的入射角度和特定的波长满足波 矢匹配方程( 1 。3 ) 式，即可有效的激发s p s 。图l 。3 所示的双层结构在金属魏 嚣个表面均可激发s p s 。对予较厚的金属膜，光子隧道效应很弱，这种情况下 o n 0 结构比较适合，如图1 3 ( c ) 所示：在该结构中，全反射棱镜和金属膜之间有 很小的空气间隙( 近场区域) ，可以在金属和空气间隙的界面上激发s p s 。 6 第l 章绪论 参 i 瓣 f i g 1 3s p s 激发模式：( a ) 融鹏c h m 锄结构，( b ) 双层l ( i 椭c h m 籼结构， 娴 。犍。结构，d ) 光搬衍射，( e ) 表面缺酪错射，国s n o m 撮针激发。 衍射补偿法实际上就是利用衍射效应来实现光子波矢的补偿。在金属表面 部分区域写入衍射光栅，利用光栅衍射效应提供波矢补偿，如图1 3 ( d ) 所示 妇妞r 在其专著中给出了属兢性结构中的波矢匹配方程( 融也髅，1 9 8 8 ) ： m_，o 专铲= = 片s i n 良秒p 专站善g 群j ， ( 1 4 uu 当入射光是p 偏振时，办= l ；s 偏振时，昂= o 。锄是光波矢平行光栅表面的单位 矢璧。搬是与金属膜楣邻的介质折射率。翻饔玛是周期绩构在x 、夕方宾的单位倒格 矢。d 为结构周期( 此处假定x ，y 方向周期相同) 。p 和g 是对应不同衍射方向的整 数。不同于前述结构，如果光栅狭缝穿透金属膜，那么金属膜的上下表面均可 有效激发s p s 。 以上方法都是通过弓l 入特殊结构来实现波矢睾 偿，从两在理想光滑的金属 表面激发s p s 。但是对于粗糙表面，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍 射效应就可以提供在金属膜表面激发s p s 所需的波矢补偿即直接的光照射便可 激发s p s ，如图1 3 ( c ) 所示。这种效应在近场区域是完全可能的，因为从理论上 7 每遴 第l 章绪论 讲，近场区域的衍射场包含了所有的波矢( a 伊孤o v i c h ，1 9 8 2 ，i k t i l c r ，1 9 8 8 ) 。 但是，无需特殊的激发结构也表明在该情况下s p s 激发不是一种谐振效应，是 一种不确定的激发状态( i l i d e f c n e de x c i t a t i o nc o n d i t i o n s ) 。虽然该方法能够激发 s p s ，但是激发效率不高。s a l o n m o n ( 2 0 0 2 ) 等学者指出该种非谐振的激发状态导 致在金属表面不同区域s p s 的相互干涉，造成金属表面复杂的光场分布。 p o h l 的研究小组在1 9 9 6 年提出了一种新型的s p s 激发技术s n o m 激发 ( h e c h t ，1 9 9 6 ) ，简单示意图如图1 3 ( f ) 所示。从原理上讲，光子隧道效应和衍射 效应都可解释这种激发技术。可认为产生于探针尖端的倏逝场通过光子隧道效 应穿过针尖和金属表面的空气间隙，在金属表面激发s p s ，类似于o 结构： 也可认为探针的近场衍射提供了激发s p s 所需的波矢补偿，类似于粗糙表面的 激发情况。过去的十年中，借助s n o m 进行的该方面实验研究工作很多：金属 膜内外表面激发s p s 的比较( b o z h e v o l n y i ，1 9 9 5 ) ，s n o m 激发s p s 的干涉效应 ( h e c h t ，1 9 9 6 ) 等。 总的来说，由于表面等离子体的纵波性质，有效激发表面等离子体要求激 发光必须具有平行于s p s 传输方向的分量。 b i t a t i o nb e 硼 f i g 1 4 用p s l m 研究s p s 的典型结构引自文献( z i ae ta l ，2 0 0 6 ) 。 由于s p s 的振幅沿界面法线方向在两边的介质中呈指数衰减，因此它不能 第l 章绪论 通过传统的实验设备直接观测到而近场技术如光子扫描隧道显微镜( p h o t o n s c a l l n i n gt u i l i l e l l i n gm i c r o s c o p y ，p s l m ) 可以用于金属表面电场的直接探测，典型 结构如图1 4 所示。p s l m 是“收集模式一的扫描近场光学显微镜，样品放在棱 镜的上表面，这样可以通过衰减内全反射的方法激发s p s 。纳米量级的针尖通常 用光纤拉锥的方法制备，然后镀上一层金属膜。p s 俐扫描图像是近场电场强度 分布的直观体现。 表面等离子体与表面结构的相互作用是表面等离子体光学的应用基础，是 决定祖糙金属表面或金属微结构光学特性的主要因素。对于最简单的情况，s p s 与表面缺陷的相互作用，可以用三个过程描述( 如图1 5 所示) ：s p s 的反射( s p s 散射后沿另一个方向传输) 、s p s 的透射( s p s 散射后沿原来方向传输) 、s p s 的光 散射( s p s 散射后耦合成光) 。1 9 9 6 年s m o l y 锄i n o v ( 1 9 9 6 ) 和他的合作者利用p s l m 首次研究了这种情况，通过对不同形状和尺寸缺陷的观察和分析，给出了定性 的解释( s m o l y 锄i n o ve ta l ，1 9 9 7 ) 。s p s 和多个缺陷相互作用导致的局域现象也被 实验得到( w e s te ta l ，1 9 9 5 ) 。2 0 0 1 年d a w s o n ( 2 0 0 1 ) 运用p s l m 测量了s p s 的传 播距离。大量系统的研究，使研究者对s p s 的近场散射机理有了深入的了解， 同时发现很多有趣的实验现象：s p s 的前向、后向散射，s p s 在多个缺陷中的影 子效应( s h a d o w e 疏c t ) ，多个缺陷中s p s 多重散射造成的弱局域效应( 后散射 b a c l ( s c a t t e r i n g ) 和强局域效应( a n d e r s o n 局域，抑止s p s 传播) ( s h e n g ，1 9 9 5 ， a l b a d ae ta i ，1 9 9 0 ) ，金属介质膜中的热点( h o ts p o t ) 现象( g r e s i l l o nc ta i ，1 9 9 9 ) 等 等。 蕾臣r 礤e 智f f 酶1 5s p s 与表面缺陷相互作用过程简图 1 3 2 表面等离子体光子学器件的研究和应用 9 第1 章绪论 表面等离子体s p s 的表面局域性，可以将光学控制的维度从三维降为二维， 使其在二维亚波长光学的应用十分便利。对s p s 空间分布的控制分为横向( 表面 法向方向) 和纵向( 表面方向) 两方面。最终的研究目标都统一在s p s 的能量、传 输控制和功能器件应用上。 w e e b e r ( 1 9 9 9 。2 0 0 1 ) 首次在实验中研究了s p s 在金属条上的传输，他的工 作为金属条的s p s 波导研究打下基础。其他类型的s p s 波导也不断被报道：在 周期性的光子结构中引入条形缺陷传输s p s ( b o z h e v o l n y i ，2 0 0 1 ) ，粗糙表面上的 a n d e r s o n 局域效应用作s p s 波导( b o z h e v o l n y i ，2 0 0 2 ) ，周期排列的金属颗粒s p s 波导( m a i e r ，2 0 0 3 ，k r e n n ，1 9 9 9 ) ，以及“v ”型槽s p s 波导( n o v i k o v ，2 0 0 2 ) 等。 尤其是“v ”型槽s p s 波导具有单膜、低损耗、强局域、高透过系数和高容忍度 等优点，2 0 0 6 年b o z h e v o l n y i 等人在n a t u r e 上报导了基于“v ”型槽s p s 波导的 分束器、m z 干涉仪和环形共振器( b o z h e v o l n y i ，2 0 0 6 ) ，如图1 6 所示。 f i g 1 6 基于v 型波导的s p s 分柬器( a - c ) 、m z 干涉仪( d f ) 和环形共振 器( g i ) ，引自文献( b o z h e v o l n y ie ta l ，2 0 0 6 ) 。 第1 章绪论 f i g 1 7 表面等离子体b r a g g 反射元件、分束元件、干涉元件，引自文献 ( d i t l b a c h e re ta l ，2 0 0 2 ) 。 随着更先进的刻蚀技术的引用，表面结构的设计日趋精密，表面等离子体 的基本控制如激发、传输、反射、干涉等均已被实现。表面等离子体基本元件 在实验室中设计完成( d i t l b a c h e re ta l ，2 0 0 2 ) 。图1 7 展示了s p s 的激发、b m g g 反射、分束、干涉元件等。 基本元件的设计实现表明通过微纳尺度的金属表面结构设计来调控表面等 离子体的性质这一思路是正确的，同时也为表面等离子体亚波长光学的形成奠 定了坚实的基础。 ( b ) 第l 章绪论 f 湛l 。8 ( a ) 二维亚波长圆孔阵列金属膜结构的近场扫描图。( b ) 阵列 结构的周期不同，对应透射波长也不同引自文献( b 锄e se t 乩2 0 0 3 ) 金属膜上的周期性小孔和狭缝阵列结构具有远场透过增强效应的性质( 如 图1 8 ) ，这种用传统电磁衍射理论无法解释的奇异现象( e b b c n 效应) 引起了众 多研究者的关注( 器a m e s 醮a l ，2 0 0 3 ，l e z e e 敷鑫l ，2 0 院，m 娥瓣鹾。涮妁蜣3 l ，2 0 0 l ， s a l o m o ne ta l ，2 0 0 l ，e b b e s e n ，1 9 9 8 ) 。经过半解析、数值理论分析和实验研究 ( d a m l a n y a ne ta 1 ，2 0 0 3 ，d e g i r o ne ta 1 ，2 0 0 2 ，s a l o m o nc t “，2 0 01 ，m 眦i n m o r e n oe t 鑫l ，2 0 0 1 ) ，这两种结构的透过增强机理西趋明朗，简单的讲：二维孔径阵列透过 增强是由表面等离子体模式谐振效应造成的，光照射在金属膜面产生的衰逝波 经过端面s p s 近场增强效应的有效放大，沿着孔径传向出射端，在出射端同样 经过s p s 的放大，最终形成远场增强透过现象，其过程示意图如图1 9 所示；一 维周期性狭缝阵列结构的透过增强机理可以用s p s 谐振模式( s p s r e s o n a n t m o d e ，s p m ) 和波导谐振模式( w a v e g u i d er e s o n a n tm o d e ，w g m ) 解释 ( s u ne ta l ，2 0 0 3 ，g a r c i a - d a le ta i ，2 0 0 2 ，1 b a c y ，2 0 0 2 ，c a 0e ta l ，2 0 0 2 ，l a l a n n ee t 鑫l ，2 q 0 e ) 。 登q zz f i g 1 9s p s 增强光予隧道效应示意图：( a ) 无s p s 激发；( b ) 单面s p s 激 发；( c ) 、( d ) 双匿s p s 激发对称结梅和嚣对称结橡。孳l 鑫文献( d 8 潮a n y 勰 e t a l ，2 0 0 3 ) 。 第l 章绪论 周期性小孔和狭缝阵列结构利用表面等离子体谐振效应可以实现对远场透 射光谱的有效控制。这种周期性金属结构的出现，对新型光子和光电子器件设 计有很重要的意义。该结构的近场能量局域增强特性及其薄膜化的结构特点， 可被用于设计新型n s o m ( n o v o 伽y ，l9 9 7 ，j c r s c he ta l ，l9 9 7 ) ：s p s 在周期结构中 能量的周期局域性、s p s 的近场干涉现象也已经被应用在近场光刻领域，发展成 为新型的光刻技术( l u oe ta l ，2 0 0 4 ) 。利用一维周期性结构( 即金属光栅) 的远场 增强透过峰的选频和偏振效应，可设计用于集成光学的微型起偏器( y ue ta 1 2 0 0 0 ) 、偏振旋转器( h 0 0 p e re ta l ，2 0 0 2 ) 等元件。 金属膜上单个微孔和狭缝是一种典型的非周期性金属微结构，它们是周期 性金属微结构的基本单元。单个亚波长小孔由于波导谐振模式截止，其透过增 强现象用小孔边界处激发的局域s p s 模式来解释( p o p o ve ta l ，2 0 0 5 ) 。而对于单 狭缝结构始终支持波导谐振模式，波导谐振模式的类f a b 口p e r o t 现象和狭缝内 部存在的长程表面等离子体( l r s p s ) 对透过增强现象有关键性的作用( s u c k l i n g e ta l ，2 0 0 4 ，y a n ge ta l ，2 0 0 2 ，t 狄a l ( u r a ，2 0 0 1 ) 。从应用角度来讲，早在1 9 9 9 年， p a v i ( 1 9 9 9 ) 提出了微孔激光器( v e 拶s m a l ia p e n u r cl e r ，v s a l ) 的设想，其 核心结构就是单狭缝金属薄膜，结构如图1 1 0 所示。v s a l 具有高输出功率、 小出射光斑的突出特点，作为新型光源在高密度光存储等方面具有重要作用。 通过对出射端面形貌进行合理的设计，将s p s 局域增强的能量有效的耦合出来 可以进一步提高v s a l 的出射功率( g u oe ta l ，2 0 0 7 ，c h e ne ta l ，2 0 0 3 ) 。关于小孔 结构的性质和应用领域文献( g e n e t ，2 0 0 7 ) 有详尽的综述。 d i p l e c l l i c t +一 a p e l - t l l l e n i i l l 0 1 ( a ) ( b ) 第l 章绪论 一 f i g 1 1 0 ( a ) 微孔激光器v s a l 的典型结构( b ) 利用s p s 增强的v s a l 结构，引自文献( g u oe t a l ，2 0 0 7 ) 。 对于准周期性金属微结构如带有周期性凹槽的小孔或者狭缝，通过这种表 面结构调制能够有效的提高出射光效率，产生具有良好方向性的聚焦的出射光 束( b e a m i n ge 髓c t ) ( l e z e ce ta l ，2 0 0 2 ) 。理论分析( m 缸i n m o r c n oe ta l ，2 0 0 3 ) 表明， 对出射端面微孔( 或狭缝) 周围进行一些结构参数的优化调整，可以调节出射光 的位相分布，提高出射光束质量，该结果在微波频段已经被证实( h i b b i n se ta 1 2 0 0 2 ) 。该结构对出射光能量以及方向性的有效控制，使其可被设计成用于光信 息存储、光耦合等的新型光源。该结构出射光强的数值模拟结果如图1 1 1 所示。 同时，该结构具备和前述v s a l 中金属结构相同的功能，在出射方向性的控制 上更加优越，所以在v s a l 的应用领域中有更大的发展潜力。 f i g 1 l l 带有周期性凹槽的单狭缝结构实现出射光束的聚焦( 引自文献 b a n l e se t a l ，2 0 0 3 ) 。 s p s 具有空间局域场增强等特点，还可以用来增强发光二极管( l i g h te m i t c i n g d i o d e ，l e d ) 的发光效率。近年来，很多研究小组研究利用s p s 增强l e d 发光效 率，并且得到了明显的发光增强效果。2 0 0 4 年，0 l ( a m o t o 小组用i n g a n 半导体 量子阱做为发光层，加上l o n m 的g a n 隔离层后蒸镀一层金属膜，测量结果与 第l 章绪论 没有加金属层的l n g a n 半导体量子阱发光强度相院，最大可以获得1 4 倍的发光 增强效果( o k a m o t 0e ta l ，2 0 0 4 ) ，如图1 1 2 所示。 ( a )( b ) f 酶1 1 0o k 黜o t o 小组的发光增强( a ) 实验结构示意图和( b ) 实验结果， 引自文献( o t o 故扎2 4 ) 。 现今溺际上主要研究的金属微结构可分为：周期性、非周期性和准周期性 三大类。通过对金属微结构的设计和调节，可以实现近场能量的有效控制，主 要是指表面等离子体与光子的相互耦合的操控。对表面等离子体s p s 能量耦合 的控制研究，使研究者对s p s 和表面微结构相互作用过程，s p s 和光波的互相耦 合过程有了更加深入的了解；对s p s 耦合光波出射的实验工作，使研究者对s p s 的能量控制的具体实现积累了丰富的经验。这些工作对表谣等离子体驻波长光 学的技术应用有很大的指导意义，为其今后在新型光子学和光电子学领域的应 用开辟了广阔的道路。 1 3 3 表面等离子体研究的热点及发展方向 表面等离子体亚波长光学的研究热潮使众多学者面临很大的机遇，很多研 究工作还有待展开，主要包括以下几个方向( o z b a y 2 0 0 6 ) ： 深入了解各种不圆亚波长金属结构中s p s 作用的物理祝理。 设计光频段的亚波长尺度低损耗的纳米光予学波导和光连接器芯片。 ，设计制作可调谐高效的有机或无机l e d s ，发展皿波长尺度的新型光源。 实现对表面等离子体的动态电光、全光调制及增益放大，设计高速高灵 1 5 第l 章缕谂 敏度的表面等离子体光开关。 设计能和传统单模光纤相互耦合的二维表面等离子体光子学器件，如聚 焦透镜和光橱耦合器等。 深入发展大面积的亚波长表面等离子体纳米光刻技术，如徉超级透镜 的高分辨率近场成像技术。 表面等离子体在各个纳米光子学应用领域中的巨大潜在价值，已经为国际 上学者和避赛人士所共识。该领域的机理和应用研究正在不断的深入发展。为 了实现完全表面等离子体全光集成回路这一终极目标，需要全世界研究者的共 同努力( o z b a y 2 0 0 6 ，b a m e se ta l ，2 0 0 3 ) 。 1 4 本论文的主要研究内容 在本章综述表面等离子体贬波长光学发展历史的基础上，本论文侧重于金 属金属结构中表西等离子体褶关光学调控祝理耩应雳。分析了s p s 等多种光学 模式对亚波长金属结构中异常透射现象的作用机理，明确了它们各自不同的作 用机理；引入非线性效应实现了微纳金属结构中光束偏折、聚焦、分束等现象 的动态调控，得到了鹳显魏调控效果；研究了非线性复合照波长金属结构麴光 学双稳态特性，并设计了一个高速全光开关结构，开关时间在皮秒量级。全文 的研究工作内容如下： 第二章介绍了s p s 的基本电磁理论，s p s 的特性，s p s 的光激发方式，s p s 的圈个特薤长度参数以及该研究领域魏所采用的主要数僮方法，着重讨论了二 维非线性时域有限差分法( f d l d ) 的实现原理和在亚波长金属微纳结构研究工作 中的应用。 第三章结合f d 固数值模拟软件，通过构造不尾结构参数，研究了s p s 、 c d i e w 、c m 等多种光学模式对贬波长金属结构中透射增强和削弱现象的影响， 分析了它们各自不同的作用机理，明确了结构参数对这些光学模式的影响和对 远场透射的调控规律，提出了金属表面位相是影响光学模式翻透射的重要因素。 剩甩结构参数对辨s 的调控，实现了亚波长结构中光束单囱透过豹功能，得到 了4 7 8 3 d b 的最大消光比。 第四章运用非线性f d t d 方法，研究了与非线性光学材料复合的亚波长金 属结构中，三阶j # 线性光学效应的弓| 入对s p s 色散关系、激发、藕合、传播等物 1 6 第l 章绪论 理过程的影响，实现了亚波长范围内光束偏折、聚焦、分束等现象的动态调控。 f d l d 模拟实现了明显的偏折角度调控( 偏折角8 吒2 4 0 ) 和焦点位置调控( 调控 范匿在l 舯以上) 。 第五章研究了非线性材料复合亚波长金属结构的光学双稳态效应，探索了 非线性材料厚度、光栅狭缝宽度等结构参数对远场透射和双稳态效果的影响， 运用s p s 特性和金属波导理论分析了其中的物理机理。在此基础上设计了一个 基予光学双稳态的高速亚波长全光开关结构，研究了该开关结构的远场透射、 双稳态和时间响应特性，得到了o 2 p s 的最快开关时闻。 1 7 第2 章黯s 硗突靛基本理论帮数值方法 第2 章s p s 研究的基本理论和数值方法 研究亚波长范围内金属和电介质复合结构的电磁散射问题不能用经典的衍 射理论解决，研究这种问题需簧在考虑到研究对象几何结构和电磁介电响应参 数的基础上严格求解m 磁w e l l 方程组。本章简介s p s 的基本电磁理论，概括该 领域研究主要用到的数值方法，羞重介绍二维非线性时域有限差分法 ( 2 d _ n o n i i n e a rf d t dm e t h o d ) ；王及对传统f d t d 方法所作的改进。 2 。 表面等离子体的基本性质 表面等离子体是金属表面自由电子随入射光子同频率振荡产生的一种表面 束缚的电磁波( r 矗e 饿e f ，1 9 8 8 ) 。大部分介质表露都存在着与相关准粒子或称元 激发( 声予、激子、极化子、等离波子等) 相对应的表面模式( 赵凯华，2 0 0 4 ) 。表 面等离子体就是与等离波子相对应的一种表面模式。一般情况下，这种表面模 式的横彝衰减距离和波长均远大于漂子或褶应激元的尺寸，所以运耀宏观电动 力学理论，用与频率相关的介电常数如) 就可以充分描述。此时存在固有频率8 的体系，即可描述为当频率逼近o 时s o ) 具有很强的谐振效应。一般将表面电 磁波描述为电磁场和对应若( 蜘) 元激发的耦合模式( 砥l l s ，1 9 7 4 ) 。本文研究的s p s 正是光场与金属表面电子的耦合模式。由m a 】( w e l l 方程组和边界条件推出s p s 的 色散关系，即可完全描述s p s 的特性。 2 。1 。1 表面等离子体的色散关系 下瑟来推导半无限大金属和电余震冕面处s p s 豹色散关系。颤图2 。薹所示， 缸0 半空间为各项同性的电介质材料，它的相对介电常数为正实数，用s d 表示； 在z 0 半空间为各项同性的金属，相对介电常数为复数，用钿如) ；甙) + i 岛( 叻 表示，透常情况下s f ( 国) 瑚，l 岛徊) | i ( 妨。金属与介质界面上存在豹表面电磁渡 是横磁场( t m 模式) ，其场分布可以表述如下： 当z 0 时， 1 9 第2 章s 鹣研究戆基本理论囊数值方法 当彳 兰2 ，从圈中可以看嬲s p s 静色散馥线在 真空中光线的色散曲线的右边，它们在同一频率下没有交点，因此它们之间不 能直接耦合，s p s 必须通过波矢补偿才可被光激发，具体的激发方式在第一章 l 。3 薹孛已有奔绍。与毛成正比，随着| 髟| 的增大，遥近其极限筐竺2 ， 七二 则逐渐减小，这是s p s 的色散性质。s p s 色散关系可以完全描述s p s 的光特性， 是进行s p s 相关研究的基本理论基础。 鳓 缸 f 蟾2 2 半无限大金属电介质界面处s p s 的色散关系 髓蘧分柝的都是表面电磁场在弧耋偏振情况下鲶基本特性，此嚣雪电磁场分 布如图2 3 所示。如果考虑t e 偏振( 又称为横电场或s 偏振) 的表面电磁场，利 用与等式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 类似的表示，只是电场分量和磁场分量互换，再引 入边界条件解麦克瘊南方程，结果发现不存在j # 零解，这说骥程编振戆表面电 磁场在金属电介质界面不能存在。因此，分析s p s 总是俐偏振的。 2 i 第2 章s p s 研究的基本理论和数值方法 f i g 2 31 m 偏振下半无限大金属电介质界面s p s 电磁场分布界面上电 场垂直于金属表面，正负电荷交替分布 在金属表面传播的s p s 的电场可以表示为( r 矗e t i l e r ，1 9 9 8 ) ： e 即( x ，力= 毛e x p ( k x 一屯i z l ) ( 2 1 1 ) 该式明确表明s p s 的表面局域特性，其电场强度沿着垂直金属表面方向指数衰 减。s p s 的近场增强与金属的介电常数和金属表面的粗糙度有关。根据m a ) 【w e l l 方程和边界条件，可以解出理想光滑平面上s p s 最大可能的场增强表示为 ( i h e n l e r ，1 9 9 8 ) ： 里= 三竖丛! ( 2 1 2 ) 一= = lz i zj ，岛i m 占。l + ir e 厶l 其中，口2 = ir e g 。ip ，一1 ) 一t ，e 咖是入射光的电场，岛是金属膜下面用于激发 s p s 全反射棱镜的介电常数，旬是金属膜上层介质的介电常数。由式( 2 1 2 ) 可 估算出场增强，对于6 0 n m 厚的银膜在红光照射下增强可达两个量级。s p s 的近 场增强特性可有效解决金属介质复合微结构中光强较弱的应用问题。 需要指出的是，对于较厚的金属膜( 两表面上的s p s 不会互相耦合) ，s p s 的 色散关系可用式( 2 8 ) 准确描述。当金属膜厚度减少到两表面上电磁模的相互 作用( s p s 的相互耦合) 不能忽略时，s p s 的色散关系会发生很大改变( 砒t c h i e ， 1 9 5 7 ) 。表面等离子体频率将产生分裂，分别对应对称模式( 低频模式) 和非对称 模式( 高频模式) 。对于较大的s p s 波矢，分裂后的频率饥可由下式近似得到： q ( 1 + p 一叫) ( 2 1 3 ) 其中d 是金属膜的厚度。同时，经过研究已经知道，因为对称模式的波矢 虚部随膜厚的减少而减少，所以它也被称为长程表面等离子体( l o n gr a n g e s u r f a c ep l 锄s o n s ，l r s p s ) ( s a r i d ，1 9 8 1 ) 。l r s p s 的低损耗和高耦合精度要求， 第2 章s p s 研究懿基本理论和数值方法 使其非常适于在生物光子学中作为传感器使雳。 另外值得注意的是，我们还可以人为构造一些粗糙的金属微纳颗粒结构来 调控近场光的性质。对于此类结构对应存在着另外一种类型的面束缚模式：局 域表面等离子体( l o e a l i z e ds u 氐ep l a s m o 黼，l s p s ) ( 融i b i 氍l9 9 5 ，b o a r i 妇雒， 1 9 8 2 ) 。在各种形貌的金属颗粒，a f m 金属探针针尖等结构中，局域表蘧等离子 体占主导作用。l s p s 的频率可在静电场近似下，通过求解经典的d i r i c h l e t 问题 得到。当结构的特征尺度远小于波长时，这种近似是有效的。比如金属小球的 局域表面等离子体频率可表示为： 墨! 三! 竺瓣2 + 坐：o( 2 1 4 ) 岛 z 其中z 是l s p s 的角动量。对于满足静电场近似的小球，只需z = l ，也就是说该 结构可近似看作偶极子激发。但是随着小球半径的增大，多极子相互作用变褥 愈发重要，最终z = ，l s p s 的频率与光滑无限大平面的s p s 完全相同，此时小