镀银介质纳米圆柱光栅的吸收特性

陈黎辉，王纪俊，胡欣智，王正岭

(江苏大学 理学院，江苏 镇江 212013)

镀银介质纳米圆柱光栅的吸收特性

陈黎辉，王纪俊，胡欣智，王正岭

(江苏大学 理学院，江苏 镇江 212013)

文中提出一种镀银介质纳米圆柱光栅并分析其近场和远场特性。利用有限元方法研究镀银介质纳米圆柱光栅的表面等离子激元特性及反射谱、透射谱与吸收谱之间的关系。研究发现，吸收峰位置及对应吸收值随着结构参数的改变而发生变化。当镀银层外半径d1=230 nm，内半径d2=226 nm，周期d=500 nm时，取得吸收谱最大值59.5%。在同一结构参数下，吸收峰位置也会随着外部介质折射率的改变而变化。研究结果可以设计一种新型介质折射率检测器，这为亚波长光栅器件研究的实用化提供了参考。

镀银介质；纳米圆柱光栅；表面等离子激元；吸收谱

随着微纳制作加工技术的不断成熟，对于亚波长光栅的研究吸引了大量的关注。利用亚波长光栅的独特特性，人们研制出各种亚波长光栅，如超宽带高反射率的反射镜、分束器、亚波长聚焦镜、透射光栅等等[1-12]。最早，Ebbesen等人在实验中发现当光入射到亚波长正方形圆孔上时，其透射率大于一般透射公式的结果约40倍[13]。同年，Ghaemi等人认为异常透射现象的原因是由于表面等离子激元[14]。后来，Liu等人研究的结果表明，这是由于在金属方形孔阵列上，金属表面产生的消逝波导致的[15]。目前，人们对于亚波长光栅的研究大多集中在纯介质和纯金属光栅，且截面多为矩型，少有对截面为圆柱型，且具有金属镀层介质光栅的研究。本文在亚波长光栅研究的基础上，提出了一种镀银介质纳米圆柱光栅方案，并采用有限元方法研究其透射谱、反射谱与吸收谱，并讨论结构参数与吸收峰位置的关系。

1 金属圆柱光栅结构的光谱特性

镀银介质圆柱光栅的结构如图1所示。图中的同心圆表示的是光栅单元。其中，深色的内圆柱部分表示的是圆柱介质材料，其折射率为n2，圆柱介质材料的半径为d2。灰色的环状部分表示的是圆柱外的金属镀银层，金属镀银层的厚度为Δd=d1-d2，金属圆柱沿x方向以两金属圆柱距离为d周期性排列之后得到金属圆柱光栅。圆柱之外的部分表示外层介质，其折射率用n0表示。

图1 镀银介质圆柱光栅的横截面示意图

在有限元方法模拟中，银的材料参数由Lorentz-Drude模型来确定，圆柱介质材料为SiO2(n2=1.47),外层的介质材料为空气(n0=1)，入射波沿z轴正方向入射。为了能够更好地研究该结构的亚波长光学性质，入射波取为横电磁(TM)波，入射波长范围为550～1 000 nm。在模拟中，将图1中的结构两边设置为周期性边界。经过对结构参数d，d1，d2的调试，其优化的反射谱、透射谱与吸收谱如图2所示。图2中的结构参数为d=500 nm，d1=230 nm，d2=226 nm，此时金属圆柱光栅的吸收峰值最高。

图2 银纳米圆柱光栅的入射谱、反射谱与吸收谱

由图2可知，该结构的反射率很低，在研究的波长范围内其反射率低于15%，只有在640 nm处达到反射率的最大值17.2%。与此同时，该结构的透射率整体上随着入射波长的增加而提高，但在入射波长为640 nm处，其透射率突然下降到27.3%。而吸收率也在入射波长为640 nm时达到峰值59.5%。

图3 不同入射波长下银纳米管光栅磁场归一化强度分布图

图3中为金属圆柱光栅的归一化磁场强度随不同入射波长的近场分布图，其对应的结构参数为d1=230 nm，d2=226 nm，d=500 nm，材料参数为n0=1，n2=1.47。图3中圆圈表示圆柱的位置，由图可知，当特定波长的TM偏振光入射到金属圆柱表面时，在金属圆柱光栅的表面形成局域表面等离子激元(LSP)，当相邻的两个金属圆柱的LSP靠近时会发生耦合，从而在两个银纳米圆柱之间形成相应的耦合模式。与此同时，金属圆柱内的介质圆柱部分也形成了一种驻波模式。图3(c)表明当入射波长为640 nm时，产生了最大的共振吸收率59.5%，此时图中金属圆柱内的驻波模式和两个金属圆柱间的耦合吸收模式的强度几乎相等。

随着入射波长的变化，金属圆柱间的局域表面等离子激元耦合模式和金属圆柱内的驻波模式同时发生了变化，从而使吸收率改变。如图3(b)所示，入射波长减少至636 nm，而此时的吸收率仅为43.1%。当入射波长继续变化，图3(a)中的入射波长为622 nm，此时对应吸收率为20.1%。与此同时，图3(d)的入射波长为644 nm，而此时的吸收率为46.7%，图3(e)中的入射波长为656 nm，此时对应的吸收率为19.7%。从图中可以发现，在入射波长为622 nm时，耦合模式远强于驻波模式。但随着入射波长的增大，耦合模式强度不断降低，驻波模式强度不断增高，使得共振吸收的值不断增高。在入射波长为640 nm时，驻波模式强度和耦合模式的强度几乎一致，从而使吸收率达到最大值59.5%。之后，随着耦合模式的不断降低和驻波模式强度的不断升高，使得吸收率不断地降低，直至吸收峰消失。

2 吸收峰与光栅结构参数的关系

在改变结构参数的情况下，可以对吸收峰的大小和位置产生影响。为了考虑金属圆柱光栅的结构参数对于共振吸收的影响，下面改变d1或d2的值并进行讨论。 图4(a)表明，在保持d2=226 nm，d=500 nm不变，入射为TM波时，在不同d1的情况下，共振波长随d1的变化关系。从图中可以看出，随着d1的增加，共振波长逐渐增加。到d1=239 nm处共振波长达到最大值647nm，之后逐渐降低。从图4(b)中可以看出，在保持d2=226 nm，d=500 nm不变，入射为TM波时，在不同d1的情况下，吸收率随d1的变化关系。吸收率在d1=230 nm处达到最大值59.5%，随着d1的逐渐增大，吸收率在d1=239 nm处达到最小值，此时的吸收率为46.8%，之后吸收率随着d1的增加逐渐增高。图4(c)和图4(d)表明，在保持d1=230 nm，d=250 nm不变的情况下，共振波长及入射光吸收率随d2的变化关系。从图4(c)中可以看出，随着d2的增加，共振波长在d2=224 nm时取得最大值642 nm，之后随着d2的增加，共振波长逐渐降低。从图4(d)可以看出，吸收率在d2=226 nm时达到最大值59.3%，在d2=217 nm时达到极小值45.4%。

图4 吸收峰与结构参数关系的示意图

图5 吸收率及吸收峰位置随n0的变化关系

吸收峰随着外部介质折射率的变化也不断变化。当结构参数为d1=230 nm，d2=226 nm，d=500 nm，n2=1.47时，图5(a)表明了吸收率随外部材料折射率的变化关系。从图5(a)可以看出，随着n0的不断升高，吸收峰处的吸收率不断降低。当n0=1时，吸收率达到最大值59.5%，之后随着n0的增加，吸收峰处的吸收率不断降低。当n0=1.25时，吸收率降至14.4%，之后吸收峰消失，与此同时，吸收峰的位置随着n0的增加而线性变化，如图5(b)所示。从n0=1时的640 nm逐步增加到n0=1.25时的682.5 nm，这是由于外部折射率发生了变化，从而使得金属圆柱间的表面等离子激元耦合模式发生变化，使得耦合模式和金属圆柱内的驻波模式强度不再保持平衡，导致吸收率降低。以此为基础，可以利用银纳米圆柱光栅设计一种介质折射率检测器。通过检测浸润在介质中的银纳米圆柱光栅的吸收峰位置，就可以根据图5(b)得到该介质的折射率。

3 结束语

本文利用有限元法研究了在TM波入射情况下的亚波长镀银介质圆柱光栅的光学特性。研究发现，该光栅在特定的入射波长处可以达到较高的共振吸收，并且吸收峰位置及对应吸收值随着结构参数的改变而发生变化。当镀银层外半径d1=230 nm，内半径d2=226 nm，周期d=500 nm时，取得吸收率最大值59.5%。这可以通过金属圆柱间的局域表面等离子激元耦合模式和金属圆柱内的驻波模式两者强度的相对关系来解释。与此同时，研究发现该结构的吸收率对于银层的厚度变化非常敏感，吸收峰也会随着外部介质折射率的变化而变化，以此为基础可以设计一种新型介质折射率检测器。

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Absorption Properties of Nanometer Silver Cylinder Grating

CHEN Lihui , WANG Jijun, HU Xinzhi, WANG Zhengling

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

A silver cylinder grating has been proposed and the properties of the near or far field have been studied. The surface plasmon of the grating has been investigated by FEM, and the reflection, transmission and absorption spectrum have been also investigated. The result shows that the wavelength of highest absorption varies with different structure parameters. The maximum absorption of 59.5% has been obtained whend1=230 nm，d2=226 nm，d=500 nm. Meanwhile, the wavelength of highest absorption varies with different media around the silver cylinder grating with the same structure parameters. The result can be used to design a new detector of refractive index that has some potential application in subwavelength grating.

silver cylinder；nano grating；surface plasmon；absorption spectrum

2017- 03- 27

江苏省自然科学基金 (BK20161342)；江苏省高校自然科学研究重大基金(15KJA140001)；江苏省“六大人才高峰”高层次人才(GDZB-018)

陈黎辉(1983-)，男，硕士研究生。研究方向：光电子和光学超材料。王纪俊(1966-)，男，博士，教授。研究方向：光电子理论和器件等。

TN012

A

1007-7820(2018)02-040-04