采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法

摘要

采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法，其特征在于：确定入射光，根据其波长λ选择基底，并在其表面蒸镀厚度t的金属层；在金属层上开两条缝，假设缝宽为a，两缝中心间距为d，分别填充两种不同介质；让入射光垂直基底另一表面入射，可知两种介质在入射光作用下等效折射率，通过调制两金属缝出口处激起的表面波初始相位，使得出射光场的传播方向在某一特定方向上，通过缝的宽度跟缝内介质等效折射率之间的关系以及两金属缝出口处激起的表面波初始相位公式，可计算得到所设计的金属缝宽a，两缝中心间隔d；本发明设计所得结构简单，在一个金属面上即可完成整个结构的设计和制作，该结构可被用于需要定向耦合的器件中，实现对光束的定向控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳结构的设计方法，特别涉及一种采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法。

背景技术

近年来，随着微纳加工技术和纳米材料的迅速发展，微纳金属结构的电磁学性质正受到越来越多的关注。光与表面微纳金属结构的相互作用产生了一系列新的奇异物理现象。例如，1998年法国科学家Ebbesen及其合作者发现通过亚波长金属孔列阵的光的异常增强现象(Extraordinary Optical Transmission)。H.J.Lezec等人的研究进一步表明：当光透过亚波长金属纳米孔时，其透过率不仅可以得到增强，而且光束的衍射角度非常小，传输方向不遵循通常电介质结构中的衍射规律。此外，与表面等离子体金属微纳结构有关的新现象还有：光与特殊分布的金属微结构作用后，出现沿左手规则传播的特性，说明材料具有负折射率；光通过特定金属纳米孔结构后，光波出射具有极好的方向性等等，微纳金属结构表面等离子体波的研究已经形成一个新的领域。基于微纳金属结构的新型表面等离子体技术器件可以被广泛应用于军事、医疗、国家安全等多个领域。

光栅结构在很多领域中发挥着重要的作用，但是在目前设计所得光栅结构中，光波在光栅出射面的传输方向无法控制，这限制其在需要定向耦合功能器件方面的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的金属光栅结构激发的表面波不可控制的问题，提出了一种可以控制表面波激发方向的金属光栅结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定入射光的工作波长，根据入射光的波长λ，选择基底材料，并在其表面蒸镀厚度为t的金属层；

(2)在金属层上开两条缝，假设金属缝的宽度为a，两金属缝的中心间距为d；

(3)在两条金属缝中分别填充两种不同的介质，其介电常数分别为ε₁和ε₂，让入射光垂直基底另一表面入射，此时两条金属缝中介质在入射光的作用下其等效折射率为N₁和N₂，那么应用公式(1)、公式(2)计算两条金属缝出口处激起的表面波初始相位φ₁，φ₂分别为：

${\phi }_1=N_1·t·\frac{2\pi }{\lambda }---\left(1\right)$

${\phi }_2=N_2·t·\frac{2\pi }{\lambda }---\left(2\right)$

(4)为使能量在某一方向上相干迭加能量增大，而在另一方向上由于干涉相消能量减小，那么两条金属缝隙出口处的初始相位必须满足：

${\phi }_1+d\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{sp}}}={\phi }_2+2\mathrm{k\pi }---\left(3\right)$

${\phi }_2+d\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{sp}}}={\phi }_1+(2k+1)\pi ---\left(4\right)$

其中，k为正整数，λ_sp＝2π/Re(k_sp)，$k_{\mathrm{sp}}=k_0·\sqrt{\frac{{ϵ}_m{ϵ}_0}{{ϵ}_m+{ϵ}_0}},$ε₀为空气的介电常数，ε_m为金属的介电常数，λ_sp表示表面波的波长，k_sp表示表面波的波矢；将公式(3)，公式(4)两式相减，可以得到：

${\phi }_2-{\phi }_1=\frac{\pi }{2}---\left(5\right)$

将公式(1)和公式(2)代入公式(5)中，可以得到：

$(N_2-N_1)·t·\frac{2\pi }{\lambda }=\frac{\pi }{2}$

即两缝的等效折射率之差为：

$N_2-N_1=\frac{\lambda }{4t}---\left(6\right)$

(5)应用公式(7)计算可以得到缝的宽度跟缝的等效折射率之间的关系：

$\tanh (\sqrt{{\beta }^2-k_0^2{ϵ}_d}a/2)=\frac{{-ϵ}_d\sqrt{{\beta }^2-k_0^2{ϵ}_m}}{{ϵ}_m\sqrt{{\beta }^2-k_0^2}{ϵ}_d}---\left(7\right)$

其中：β＝N·k₀，β表示传播常数，N是介质的等效折射率，k₀是光在自由空间中的波矢，a为金属缝的宽度，ε_d和ε_m分别是介质的介电常数和金属的介电常数，由此式计算可以分别得到N₁，N₂与缝宽a的关系以及N₁-N₂与缝宽a的关系，再根据公式(6)的计算结果，可以计算得到金属缝的宽度a，通过公式(3)计算可以得到两缝之间的间隔d；

(6)通过上述步骤可以得到金属缝的宽度a，两缝的中心间隔d，以及缝中填充的介质，利用现有加工技术可以完成上述设计设计所得的结构的制作。

所述步骤(1)中所述的金属可以为金，银，铜，铝。

所述步骤(1)的基底材料可以为可见光波段的二氧化硅，石英，也可以为红外波段的硅，锗。

所述步骤(1)中所述的金属银的厚度t可以为10纳米到200纳米。

所述步骤(3)中的正整数k的取值可以为1，2，3，4，5。

所述步骤(3)中的相位条件如果满足的话，能量将会沿介电常数较大的介质一边传播，而在另一方向上能量很小。

所述步骤(4)中设计所得的缝宽a可以为5纳米到100纳米。

所述步骤(4)中设计所得两金属缝的间距d可以为200纳米到2微米。

本发明与现有技术相比具有的优点是：本发明设计所得结构可以控制所激发的表面波的方向，并使得表面波在传输方向上的能量由于相干迭加大大增强，约为一般光栅激发能量的2倍左右；本发明设计所得的金属光栅结构波长使用范围广，可以使用于紫外到红外各个波段。

附图说明

图1是本发明实施例中计算所得的折射率N跟金属缝宽度a之间的关系图，图中横坐标表示金属缝的宽度a，单位为纳米，纵坐标表示等效折射率N，实曲线表示第一个金属缝内介质的等效折射率N₁跟金属缝的宽度a之间的关系，虚曲线表示第二个金属缝内介质的等效折射率N₂与金属缝的宽度a之间的关系；

图2是本发明实施例中计算所得的折射率之差N₁-N₂跟金属缝宽度a之间的关系图，图中横坐标表示金属缝的宽度a，单位为纳米，纵坐标表示等效折射率之差N₁-N₂，图中曲线表示两金属缝内介质等效折射率之差N₁-N₂与金属缝的宽度a之间的关系；

图3是本发明实施例设计所得的结构示意图；

图中：1表示基底材料二氧化硅S₁O₂，2表示金属银，3表示n₁＝1的空气缝，4表示n₂＝1.52的介质缝，5表示光源。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

本发明实施例的具体步骤如下：

(1)确定入射波长λ为632.8nm，选择二氧化硅S_iO₂材料作为基底，在其表面蒸镀200nm的金属银层，即t＝200nm：

(2)在银层上开宽度为a的两条缝隙结构，两条缝隙中心之间的间距为d；

(3)选择空气和n₂＝1.52的介质材料分别填充两条金属缝，空气的折射率n₁＝1，入射光垂直于基底的另一表面入射，假设此时两条金属缝中的介质在入射光的作用下其等效折射率分别为N₁和N₂，可运用公式(1)和公式(2)计算两条金属缝出口处激起的表面波初始相位φ₁、φ₂分别为：

${\phi }_1=N_1·t·\frac{2\pi }{\lambda }---\left(1\right)$

${\phi }_2=N_2·t·\frac{2\pi }{\lambda }---\left(2\right)$

(4)为使能量在某一方向上相干迭加能量增大，而在另一方向上由于干涉相消能量减小，两条金属缝隙出口处的初始相位应该满足：

${\phi }_1+d\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{sp}}}={\phi }_2+2\mathrm{k\pi }---\left(3\right)$

${\phi }_2+d\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{sp}}}={\phi }_1+(2k+1)\pi ---\left(4\right)$

其中，k为正整数，λ_sp＝2π/Re(k_sp)，$k_{\mathrm{sp}}=k_0·\sqrt{\frac{{ϵ}_m{ϵ}_0}{{ϵ}_m+{ϵ}_0}},$ε₀为空气的介电常数，其值为1，ε_m为金属的介电常数，通过查找光学手册可得银层在此波长的入射光作用下的介电常数为ε_m＝-16.24+i0.66，λ_sp表示表面波的波长，k_sp表示表面波的波矢；

将公式(3)和公式(4)两式相减，可以得到：

${\phi }_2-{\phi }_1=\frac{\pi }{2}---\left(5\right)$

将公式(1)和公式(2)代入公式(3)中，可以得到：

$(N_2-N_1)·t·\frac{2\pi }{\lambda }=\frac{\pi }{2}$

即：

$N_2-N_1=\frac{\lambda }{4t}---\left(6\right)$

可以得到N₂-N₁＝0.791；

(5)应用公式(7)计算可以得到金属缝的等效折射率和金属缝的宽度之间的关系：

$\tanh (\sqrt{{\beta }^2-k_0^2{ϵ}_d}a/2)=\frac{{-ϵ}_d\sqrt{{\beta }^2-k_0^2{ϵ}_m}}{{ϵ}_m\sqrt{{\beta }^2-k_0^2}{ϵ}_d}---\left(7\right)$

其中：β＝N·k₀，β表示传播常数，N是等效折射率，k₀是光在自由空间中的波矢，ε_d和ε_m分别是介质的介电常数和金属的介电常数，由该式计算所得的两条金属缝的等效折射率N₁，N₂与金属缝的宽度a之间的关系如图(1)所示，两条缝的等效折射率之差N₁-N₂与金属缝的宽度a之间的关系如图(2)所示，在已知N₂-N₁＝0.791的情况下，通过计算可以得到两条金属缝的宽度为55nm；

将公式(5)代入公式(3)中，取k＝1，可以获得满足要求的两金属缝的间距d为770nm，在这里k取值为1，可使得两条缝的间距足够远而不受趋肤深度的影响，同时又可以满足两缝出射面的能量能够相互作用；

(6)利用现有微加工技术可以完成上述设计所得的结构的制作。