亚波长金属光栅的共振吸收谱及其近场特性

王亚如，王正岭，胡欣智，童唯扬

(江苏大学 理学院，江苏 镇江 212013)

亚波长金属光栅的共振吸收谱及其近场特性

王亚如，王正岭，胡欣智，童唯扬

(江苏大学 理学院，江苏 镇江 212013)

通过对亚波长金属光栅的可见光波段的光谱特性及其近场强度分布进行研究，采用Comsol软件仿真了结构参数变化对光谱和强度分布的影响。研究结果表明，亚波长金属光栅具有共振吸收谱，在吸收率峰值处，表现出亚波长金属结构表面等离激元的驻波模式，并在适当的参数下，得到了一种暗中空光场模式，利用该暗中空光场模式可以实现基于亚波长光栅的原子囚禁与导引。研究结果为亚波长光栅的理论研究以及亚波长光栅器件研究的实用化提供了参考。

亚波长光栅；共振吸收谱；近场特性；空心光场

近年来，由于光刻技术和微加工技术的快速发展[1-5]，亚波长光栅逐渐引起广泛关注。亚波长金属光栅与普通光栅相比表现出许多新颖特性，可用于设计纳米尺度光子器件[6-8]。文献[9]提出了一种利用亚波长周期性金属狭缝结构来研究异常光吸收特性的方案[9]。文献[10]提出了一种圆孔阵列金属膜的亚波长光栅的可见光波段滤波器的方案[10]。文献[11]提出了石英矩形凹槽光栅在Littrow入射条件下的偏振分束器的研究[11]。文献[12]提出了一种利用亚波长金属光栅来研究空间相干问题[12]。文献[13]应用亚波长光栅的模式特性与光栅衍射效率设计了一种偏振分束器[13]。本文研究了一维亚波长金属光栅的透射谱、反射谱与吸收谱，分析了近场强度的空间分布情况，并讨论了表面等离激元的空间耦合特性，提出了一种一维亚波长金属光栅暗中空模式，为亚波长金属光栅在微纳米光学领域的应用提供了参考。

1 亚波长金属光栅的吸收谱

图1是一维亚波长光栅的示意图，图2为图1在x-y平面上的光栅横截面。其中，d为缝宽(相邻两个金属条之间的间隔)，w为金属条宽度;h为矩形金属条高度;光栅周期λg=d+w，波长为λ的入射光垂直入射到光栅表面。对于亚波长光栅，光栅常数λg小于波长λ。这里选取金属光栅的周期λg=100 mm，衬底的高度H=4 μm，衬底的折射率n=1.46，金属的材料为银(Ag)，Ag的折射率随入射光波长的变化数据可由固体光学常数手册[14]中得到。

图1 一维周期性亚波长光栅示意图

图2 一维周期性亚波长光栅横截面示意图

1.1 金属高度h对吸收谱的影响

首先研究了金属光栅的吸收谱，分析几何结构参数的改变对吸收特性的影响。对于周期性结构吸收谱可以通过Comsol软件的S参数计算得到，吸收峰处的波长记为AW。下面讨论金属高度h对吸收谱的影响。

当λg=100 mm，d=20 nm时，h分别选取30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm，100 nm时，所得到的吸收谱如图3所示。

图3 h值变化时，吸收谱与波长的关系

如图3所示，当其他参数不改变时，随着金属高度的增加，吸收峰值的波长AW发生明显的红移，h分别为30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm，100 nm时，吸收峰的波长分别为426 nm，432 nm，442 nm，456 nm，472 nm，488 nm，506 nm，524 nm，说明吸收峰处的波长为AW，随着金属高度的增大，大致呈线性红移的趋势，同时吸收率的最大值依次为35%，54%，75%，88%，86%，73%，59%和46%。可以看出，吸收率随着金属条高度的增加呈先增大后减小的趋势，当h=60 nm时，吸收率最高，可达到88%，出现了共振特性。说明金属的高度是产生和调控吸收率的主要参数。随着金属高度h的增大，吸收峰的宽度逐渐减小。

1.2 缝宽d对吸收谱的影响

为方便研究相邻金属条的间隔d变化时，吸收谱与波长的关系，选择λg=100 nm，h=60 nm研究缝宽d的选择对吸收谱的影响，当d分别为10 nm，15 nm，20 nm，25 nm，30 nm，35 nm，40 nm，45 nm时，所得到的吸收谱如图4所示，当周期λg=100 nm,h=60 nm，d=20 nm时，吸收率最高。

图4 d值变化时，吸收谱与波长的关系

如图4 所示，当其他参数不改变时，改变d的值时，随着d值的增大，吸收峰值的波长 AW 发生明显的蓝移，当d分别为10 nm，15 nm，20 nm，25 nm，30 nm，35 nm，40 nm，45 nm时，吸收峰的波长分别为 512 nm，476 nm， 456 nm，446 nm，438 nm，432 nm，430 nm，428 nm。说明吸收峰处的波长为 AW 随着金属高度的增大呈蓝移的趋势，同时吸收率的最大值分别为 77.9%，85.96%，87.86%，87.32%，85.31%，81.24%，76.242%，70.52%。可以看出，吸收率随着d值的增大呈先增大后减小的趋势，但是吸收率的改变量较小。当d=20 nm时，吸收率最高，可达到88%。吸收峰的尖锐程度基本保持不变。

1.3 光栅周期λg对吸收谱的影响

为进一步研究光栅周期λg对吸收谱的影响，取金属宽度为w=80 nm，金属高度h=60 nm，改变周期λg，分别取值为90 nm，100 nm，110 nm，120 nm，130 nm，140 nm，150 nm，160 nm。所对应的间隔 分别为10 nm，20 nm，30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm。得到不同周期时，吸收谱随波长变化如图5所示。

图5 λg变化时，吸收谱与波长的关系

由图5 的结果发现，当w=80 nm，h=60 nm，改变光栅的周期λg时，当λg=100 nm时，吸收率最高。从图5可以看出，当其他参数不改变时，改变λg的值时，随着λg值的增加，吸收峰的波长AW发生明显的蓝移，当λg分别为 90 nm，100 nm，110 nm，120 nm，130 nm，140 nm，150 nm，160 nm时，吸收峰的波长分别为510 nm，456 nm，438 nm，432 nm，406 nm，402 nm，402 nm，400 nm。说明吸收峰处的波长为AW随着金属高度的增大呈蓝移的趋势，同时吸收率的最大值分别为 79.05%， 87.86%，85.46%，81.08%，81.03%，82.69%，83.34%，82.76%。事实上，当λg> 140 nm时，吸收峰处的波长将出现在紫外光区域，这里不作进一步讨论。可以看出，吸收率随着λg值的增加呈先增大后减小再增大的趋势，但吸收率的改变量较小。当λg=100 nm时，吸收率最高，可达到 88%。吸收峰的尖锐程度基本保持不变。

2 金属光栅的光谱特性及强度分布

图6 亚波长金属光栅的可见光波段的光谱特性

上述研究结果表明，当选定参数λg=100 nm时, 选取金属宽度w=80 nm，缝宽d=20 nm时，吸收率可以达到共振值 88%。图6 给出了λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm时的吸收谱，透射谱和反射谱以及相应峰值处的表面的近场强度分布。

图6中的数据表明，当入射波长λ=456 nm时，此时吸收率最大，反射率最小，此时的反射率约为7%。透射率<5%，同时透射率在λ=456 nm附近突然出现了一个跃迁。当λ>456 nm时，随着波长的增大，透射率在逐渐增大，反射率先增大后减小，而吸收率逐渐趋为0。取图6中结构参数，在λ=456 nm时的近场耦合强度分布如图7所示，吸收率最大时，近场耦合强度在相邻两个金属条之间达到最大，出现了标准的驻波模式，这是由于光栅结构的波矢与金属的表面等离激元模式的波矢相匹配，形成了亚波长金属结构表面等离激元驻波模式。

图7 λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，λ=405 nm时的近场强度分布

如图6所示，当λ=405 nm时，透射率为0，吸收率为约35%，反射率约为65%。取图6中的结构参数λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，图8给出了当λ=405 nm时的近场强度分布。

图8 λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，λ=405 nm时的近场强度分布

如图8所示，由于比标准的表面等离激元驻波模式的激发波长短，表面等离激元驻波模式部分演化成局域表面等离激元模式，并耦合形成了一种特殊的暗中空光场模式，此时光束中心强度为0。分析表明，只有在特定入射波长下，亚波长光栅才可以形成暗中空光场模式，同时要满足透射率为0，反射率不为0的条件。

图9是5个周期的强度分布图。很明显，周期性金属光栅表面形成了封闭的周期性暗中空光场截面，其中心强度为0，四周形成了环状的强度分布。根据文献[15]中利用暗中空光场实现原子的囚禁与操控的原理方法，可以利用此亚波长光栅实现对原子的囚禁与导引。在这个方案中，超冷原子可以囚禁导引在暗空心区，使得原子产生最小的光移动势和最低的自发辐射损失，有着最长的原子寿命。

图9 λg=100 nm，w=80 nm，d=20 nm，λ=405 nm时5个周期的近场强度分布

3 结束语

本文采用Comsol多物理场耦合软件，对亚波长金属光栅的可见光波段的光谱特性进行研究分析，研究了光栅几何结构参数(金属高度h，缝宽d，周期λg)对吸收谱的影响。发现亚波长金属光栅具有最大吸收率，并研究了最大吸收率情况下的光谱特性及其强度分布。发现在吸收率峰值处，近场耦合强度在相邻两个金属条之间达到最大，出现了标准的驻波模式，这是由于光栅结构的波矢与金属的表面等离激元模式的波矢相匹配，形成了亚波长金属结构表面等离激元驻波模式。选取适当参数时，发现在透射率为0、反射率和吸收率不为0的情况下，得到暗中空光场模式。可以利用该暗中空光场模式实现亚波长光栅的原子囚禁与导引。研究结果为亚波长光栅的理论研究，以及亚波长光栅器件研究的实用化提供了参考。

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Resonant Absorption Spectrum and Near Field Characteristics of Subwavelength Metallic Gratings

WANG Yaru,WANG Zhengling,HU Xinzhi,TONG Weiyang

(School of Science, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In this paper, the spectral characteristics and the near field intensity distribution of the visible band of the subwavelength metallic grating are studied, Influence of structural parameters on the spectrum and intensity distribution are studied by using the COMSOL multi physical field coupling method. It is found that the subwavelength metallic grating has the resonance absorption spectrum, at the peak of absorption rate, it exhibits a standing wave pattern of surface plasmons. By choosing appropriate structure parameters, a dark hollow mode is obtained, and it can be used to realize atomic trapping and guiding based on the subwavelength grating. Our result has a certain reference significance for the theory research and the application of the subwavelength grating.

subwavelength grating; the resonance absorption spectrum; the near field characteristics; dark hollow mode

2016- 05- 27

江苏省自然科学基金资助项目 (BK2011462)；江苏省高校自然科学研究重大基金资助项目(15KJA140001)

王亚如(1988-)，女，硕士研究生。研究方向：微纳米光学等。王正岭(1971-)，男，博士，教授。研究方向：微纳米光学等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.030

TN29;O433

A

1007-7820(2017)04-119-04