一種實(shí)現(xiàn)寬帶增強(qiáng)衍射的微結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬帶、增強(qiáng)的一階衍射的微結(jié)構(gòu)，可將入射光在寬帶波長(zhǎng)范圍內(nèi) 高效地轉(zhuǎn)化為色散的一階衍射光。
【背景技術(shù)】
[0002] 我們知道，光通過(guò)透射光柵時(shí)將產(chǎn)生衍射效應(yīng)。通常，很大一部分衍射光的能量會(huì) 分布在無(wú)色散的0級(jí)光譜中。在用于光譜分析和研宄的色散光學(xué)元件中，寬帶、增強(qiáng)且具有 色散的衍射光譜顯得十分重要。在薄膜太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的增強(qiáng)衍射有利 于抑制反射光，同時(shí)增強(qiáng)光與薄膜波導(dǎo)模的耦合。以往，利用截面為鋸齒形的閃耀光柵或具 有深度矩形溝槽的介質(zhì)光柵，人們?cè)谝欢ǖ那闆r下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的高階衍射。但是，這些光 學(xué)元件往往具有表面粗糙不平或厚度較大的缺點(diǎn)，不利于器件加工或納米光子學(xué)元件的集 成。
[0003] 近來(lái)，微結(jié)構(gòu)的表面等離激元材料為開(kāi)發(fā)亞波長(zhǎng)的衍射光學(xué)元件提供了新的途 徑。金屬納米結(jié)構(gòu)的表面電荷與電磁場(chǎng)之間存在強(qiáng)耦合，可將其應(yīng)用于光路的控制。在超 構(gòu)表面以及超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中，金屬上的納米孔或電介質(zhì)中的金屬納米顆粒能夠激發(fā)表面 等離激元或局域等離激元共振。在這些結(jié)構(gòu)周期排列的情況下，許多現(xiàn)象諸如增強(qiáng)透射效 應(yīng)、偏振變換、負(fù)折射效應(yīng)、以及反常折射等都有可能出現(xiàn)。然而，目前關(guān)于準(zhǔn)二維的微結(jié) 構(gòu)表面的研宄多數(shù)集中在亞波長(zhǎng)區(qū)域。正如在增強(qiáng)透射效應(yīng)中所見(jiàn)，因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)的周期 小于或遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，0階透射在特定波段得到顯著加強(qiáng)，而高階衍射則被極大地抑制。 最近，Guo等研宄了一種雙周期的等離激元表面（Opt. Lett. 36, 4764(2011)&Appl. Phys. Lett. 101，241115 (2012))，它是通過(guò)對(duì)超薄的金屬膜上短周期的狹縫或圓孔陣列附加一個(gè) 長(zhǎng)周期的調(diào)制而形成。這一系統(tǒng)可以在表面等離激元共振波長(zhǎng)附近支持傳播的一階衍射效 應(yīng)。不過(guò)，其工作帶寬較窄（約IOOnm)，并且衍射效率較低（低于5% )。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了實(shí)現(xiàn)平面、超薄、寬帶、高效的色散光學(xué)元件，本發(fā)明提供了一種寬帶、高效的 一階衍射的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)采用了微結(jié)構(gòu)的表面等離激元材料，具有平面、超薄的特 點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種實(shí)現(xiàn)寬帶增強(qiáng)衍射的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)為采用金屬-介電-金屬材料的三明 治型結(jié)構(gòu)，其中一側(cè)的金屬層為周期性排列的金屬塊陣列，另一側(cè)的金屬層為無(wú)結(jié)構(gòu)的金 屬平板；所述金屬塊陣列在平面方向上，沿橫軸方向的周期為亞波長(zhǎng)，沿縱軸方向的周期為 超波長(zhǎng)。這樣設(shè)計(jì)的作用如下：第一，亞波長(zhǎng)和超波長(zhǎng)復(fù)合周期的設(shè)計(jì)是為了能夠產(chǎn)生為數(shù) 不多的幾個(gè)出射衍射階，包括〇階和± 1階衍射。第二，三明治型金屬/介電/金屬元胞結(jié) 構(gòu)可以產(chǎn)生局域等離激元增強(qiáng)的光散射效應(yīng)，這一增強(qiáng)的光散射具有寬帶的特征。第三，由 于超波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)的干涉效應(yīng)，不同元胞輻射的散射光能夠干涉加強(qiáng)，從而產(chǎn)生高效的 尚階衍射。
[0007] 周期性的金屬塊的形狀關(guān)于偏振方向?yàn)閷?duì)稱(chēng)或者不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如矩形、橢圓形、梯 形或其它形狀。
[0008] 由于本發(fā)明三明治型元胞結(jié)構(gòu)的局域等離激元增強(qiáng)散射和超波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu) 的干涉效應(yīng)，光的一階衍射效率能夠在600-1500納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得極大的提高 (50-95% )。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可適用于制作平面、超薄的微型光學(xué)色散元件，用于光譜研宄和 分析。此外，在薄膜太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)的光的衍射效應(yīng)還可以提高光的耦合效率。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1(a)基于對(duì)稱(chēng)的矩形金屬塊的元胞示意圖，（b)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2(a)衍射效率隨波長(zhǎng)變化曲線(xiàn)，（b)波長(zhǎng)為1050納米的能流分布圖。
[0011] 圖3(a)、（b)分別為波長(zhǎng)為830和1030納米的電流分布圖，（c)單個(gè)元胞結(jié)構(gòu)的 散射截面，（d)、（e)分別為波長(zhǎng)為1050納米的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布圖（單個(gè)元胞）。
[0012] 圖4(a)基于非對(duì)稱(chēng)的梯形金屬塊的元胞示意圖，（b)單個(gè)元胞結(jié)構(gòu)的散射截面。
[0013] 圖5(a)衍射效率隨波長(zhǎng)變化曲線(xiàn)，（b)波長(zhǎng)為1050納米的能流分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明的金屬塊形狀沒(méi)有特殊限定，下面將以矩形和梯形金屬塊為實(shí)施例對(duì)本發(fā) 明做進(jìn)一步說(shuō)明，前者可產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)增強(qiáng)的±1階衍射，而后者將導(dǎo)致更為高效的、非對(duì)稱(chēng) 的-1階衍射。
[0015] 實(shí)施例1
[0016] 作為第一個(gè)實(shí)施例，采用矩形的金屬塊陣列。在金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu) 中，上層周期排列的矩形金屬塊與底層平坦的金屬薄板被一玻璃間隔層隔開(kāi)。圖1(a)和 圖1(b)分別是元胞和系統(tǒng)的示意圖。矩形金屬塊的長(zhǎng)、寬、高分別取為I = 600nm, w = 200nm, h = 80nm ;玻璃薄層的厚度為t = 90nm，底層的金屬薄板厚150nm(該厚度遠(yuǎn)大于趨 膚深度，可以阻止光的透射）。研宄的波段從可見(jiàn)光到近紅外，波長(zhǎng)為600-1500nm。金屬塊 在xy方向的周期設(shè)為dx = 360nm，dy = 1800nm。這樣，X方向?yàn)閬啿ㄩL(zhǎng)結(jié)構(gòu)，而y方向?yàn)?超波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。平面電磁波從頂部垂直入射到這一結(jié)構(gòu)上，光電場(chǎng)沿著X軸方向。
[0017] 圖2(a)給出了用時(shí)域有限差分方法模擬得到的衍射光譜（這里只給出零階和正 負(fù)一階衍射，更高階衍射光非常微弱，故忽略）。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，正負(fù)一階衍射有著完全 相同的效率。有趣的是，在較寬的一段頻帶里，都存在著零階反射被抑制而一階衍射明顯增 長(zhǎng)的現(xiàn)象。在650-1300nm范圍內(nèi)，零階模式的反射率低于10%，一階模式衍射的效率達(dá)到 了 47% (正負(fù)一階衍射的和則達(dá)到94%)。不過(guò)，在更短或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（λ〈650ηπι或 λ>1300ηπι)，一階衍射則有所削弱。圖2(b)展示了數(shù)值模擬的yz平面內(nèi)的能流分布（波 長(zhǎng)選為1050nm)。從圖中可以清楚地看到兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的一階衍射，其衍射角為35. 0度。
[0018] 這里存在一個(gè)問(wèn)題，為什么如此簡(jiǎn)單的一個(gè)結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生超寬帶的衍射光譜呢？為 了回答這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明計(jì)算了周期結(jié)構(gòu)中的電流分布。這里以波長(zhǎng)830nm和1030nm為例， 計(jì)算結(jié)果分別展示在圖3(a)與圖3(b)中?？梢钥吹皆谏鲜鰞煞N波長(zhǎng)下，頂部的矩形金屬 塊和底部的金屬平板均有反向平行的感應(yīng)電流產(chǎn)生，形成一個(gè)準(zhǔn)電流回路。波長(zhǎng)為830nm 的感應(yīng)電流回路較小，而波長(zhǎng)為1030nm的電流回路則較長(zhǎng)。對(duì)其它波長(zhǎng)的模擬計(jì)算也顯示 了類(lèi)似的結(jié)果?？梢?jiàn)，當(dāng)電磁波照射該結(jié)構(gòu)時(shí)，其中將產(chǎn)生感應(yīng)電流環(huán)路；激發(fā)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則 電流環(huán)路也越長(zhǎng)?；蛘哒f(shuō)，該結(jié)構(gòu)具有自我調(diào)節(jié)功能（能有效調(diào)節(jié)電流回路的長(zhǎng)度），并對(duì) 外部激發(fā)做出響應(yīng)。從LC電路的角度來(lái)看（即將三明治結(jié)構(gòu)視作LC振子），不同長(zhǎng)度的電 流回路具有不同的電感和諧振頻率。
[0019] 為了進(jìn)一步確認(rèn)這一局域振蕩緣于元胞而非周期結(jié)構(gòu)，使用數(shù)值計(jì)算了一個(gè)獨(dú)立 元胞的散射截面，如圖3(C)所示（圖中為散射截面對(duì)元胞面積的比值）。在考慮的波長(zhǎng)范 圍內(nèi)，散射截面明顯大于1 (大約為2. 3-3. 8)，顯示了寬帶的增強(qiáng)散射效應(yīng)。其實(shí)在某些情 況下，人們已經(jīng)觀(guān)察到了寬帶的增強(qiáng)散射現(xiàn)象，如自由電子的湯姆森散射。這里，包含自由 電子的等離激元材料能夠扮演類(lèi)似的角色。與納米球、納米棒等孤立金屬粒子相比，三明治 結(jié)構(gòu)能夠有效地調(diào)節(jié)電流回路長(zhǎng)度以回應(yīng)外部激發(fā)，從而產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似共振的等離激元響 應(yīng)。以一隨機(jī)波長(zhǎng)如1050nm為例，圖3 (d)與3 (e)分別展不了一個(gè)獨(dú)立兀胞的電場(chǎng)和磁場(chǎng) 分布圖（入射電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)為1)。增強(qiáng)的電磁場(chǎng)證實(shí)了局域的類(lèi)共振響應(yīng)的存在。
[0020] 除了元胞所具備的寬帶增強(qiáng)散射能力，結(jié)構(gòu)的周期性同樣起了重要作用。當(dāng)入射 光照射在金屬表面時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)被元胞結(jié)構(gòu)所散射，而周期結(jié)構(gòu)的干涉效應(yīng)使得分立的衍 射級(jí)得以加強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)部的衍射波矢量由倒格矢G nm決定：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)現(xiàn)寬帶增強(qiáng)衍射的微結(jié)構(gòu)，其特征在于，該微結(jié)構(gòu)為采用金屬-介電-金屬材 料的三明治型結(jié)構(gòu)，其中一側(cè)的金屬層為周期性排列的金屬塊陣列，另一側(cè)的金屬層為無(wú) 結(jié)構(gòu)的金屬平板；所述金屬塊陣列在平面方向上，沿橫軸方向的周期為亞波長(zhǎng)，沿縱軸方向 的周期為超波長(zhǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)寬帶增強(qiáng)衍射的微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬塊 的形狀關(guān)于偏振方向?yàn)閷?duì)稱(chēng)或者不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)寬帶增強(qiáng)衍射的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)為采用金屬-介電-金屬材料的三明治型結(jié)構(gòu)，其中一側(cè)的金屬層為周期性排列的金屬塊陣列，另一側(cè)的金屬層為無(wú)結(jié)構(gòu)的金屬平板；金屬塊陣列在平面方向上，沿橫軸方向的周期為亞波長(zhǎng)，沿縱軸方向的周期為超波長(zhǎng)。由于本發(fā)明三明治型元胞結(jié)構(gòu)的局域等離激元增強(qiáng)散射和超波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)的干涉效應(yīng)，光的一階衍射效率能夠在600-1500納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得極大的提高(50-95％)。本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)可用于制作平面、超薄、寬帶和高效的光學(xué)色散元件。
【IPC分類(lèi)】G02B5-18, G02B6-124, G02B6-122
【公開(kāi)號(hào)】CN104597566
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510090588
【發(fā)明人】黃成平, 張勇
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年2月28日