金纳米结构等离激元强度的影响因素

常诗尧

摘 要等离激元具有超衍射极限汇聚，极高的近场增强强度等特点，受到广泛的关注并应用。纳米结构中等离激元的近场分布与近场强度在很大程度上影响着等离激元器件的作用效果与范围。本文研究金Bowtie纳米结构表面等离激元强度与多种控制因素之间的关系，通过对不同控制因素作用下纳米结构等离激元近场强度的模拟，更好地调控结构等离激元近场强度，促进等离激元纳米结构的发展。

【关键词】等离激元 近场增强 金纳米结构 控制因素

1 理论概述

局域金属表面的自由电子与光相互作用而形成的电磁波，称之为表面等离激元。当共振频率相同的电子和入射光波产生共振，电磁场会在金属表面的小范围区域内产生近场增强。研究表明，光学近场分布及强度会受到多种外界因素的影响，本文运用时域有限差分软件（FDTD Solutions），从入射波长、偏振方向及结构周围介电环境三个方面因素着手，探究在这些因素的影响下，金纳米Bowtie结构的近场强度与分布并总结不同影响因素与近场强度之间的关系。对调控等离激元强度，并在光计算，传感及纳米光子器件等领域的应用和发展具有重要意义。

2 影响因素分析与结果

2.1 入射波长与近场强度间的关系

模拟结构如图1所示。模拟光源采用800nm-1300nm的单光束垂直入射，分别取波长800nm、1000nm、峰值处（1053nm）和1300nm处的等离激元近场分布图像进行观察分析（如图2）。随着入射波长的增加，结构近场强度越强；达到共振波长1053nm时，结构中心的近场强度最强；入射波长继续增大至1300nm，近场强度降弱且结构边缘增强点亮度随之减弱。因此，在入射波长范围内，改变波长会引起近场强度的变化。

2.2 激发光偏振方向与近场强度间的关系

改变入射光的偏振方向，结构近场增强点的强度与位置出现了转移（如图3）。偏振角度旋转45°时，结构中心点的近场强度出现减弱，左侧纳米三角的底角和右侧三角的顶角近场强度增大；偏振方向旋转到90°时，中心点处增强消失，两侧纳米三角的四个顶角位置有微弱的增强现象；旋转到135°时的近场分布与偏转45°时分布情况相反；入射光偏振方向旋转至180°，近场强度和分布与未旋转时相同，中间点处场强最强。因此改变激发光偏振方向会对近场强度和分布产生影响并可以实现有效调控。

2.3 周围介电环境与近场强度间的关系

通过调节结构周围相对折射率（n=1.0-1.4），实现对Bowtie结构周围介电环境的控制，得到结构在不同介电环境下的近场强度与分布。分别取共振波长下的近场分布图（如图4），可以发现周围介电环境的改变导致结构共振波长出现红移；近场强度出现微弱的降低，近场分布并没有受到影响。这说明改变周围介电环境只影响近场强度。

3 等离激元近场增强的应用

目前，多种纳米结构的近场增强特性被研究并报道。不同影响因素对纳米结构近场的影响研究，对调控近场强度与近场分布的实验有很大的帮助。

通过改变入射波长和偏振方向的调控方法，实现对表面等离激元传输方向的有效调节，并为光学纳米天线的主动控制打开了新思路。改变周围介电环境对等离激元共振波长的影响，可以实现传感器高灵敏度的检测。

4 结语

对不同影响因素下纳米结构近场强度的研究，是为其在实际中更好地应用。影响因素与近场强度之间的关系，实现对近场增强更好地调控，进一步促进等离激元纳米结构在传感、太阳能电池、光储存等多方面领域的发展应用。

参考文献

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作者單位

长春理工大学 吉林省长春市 130000