CN103185973B - 一种表面等离激元波长选择器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面等离激元波长选择器件。本发明的波长选择器件包括：衬底及金属柱；其中，衬底为金属；金属柱垂直设置在衬底上；金属柱的数量为两根以上；金属柱的直径d在100nm～2μm之间；金属柱的高度h≥50nm；表面等离激元沿着衬底的表面传播，并在金属柱附近形成局域增强的电磁场，由于单根金属柱本身的特性和不同金属柱之间的共振而形成对不同波长选择性的反射或透射。本发明的这种结构不仅对表面等离激元具有良好的波长选择性的反射、透射和散射的特性，而且结构简单，尺度小，成本低，并具有利于集成的独特优势。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种表面等离激元波长选择器件。
背景技术
表面等离激元SP(SurfacePlasmon)是在金属和介质界面上传播的电磁场表面模式，其特性主要表现为电磁场局域在金属的表面形成隐失场，并沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现能量转换，这使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控，因此普遍认为表面等离激元将在纳米光子学领域获得重要应用。基于表面等离激元的各种器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注。
然而，传统的波长选择器件需要比较大的尺寸，相应的原理不适合应用于追求小尺度的表面等离激元器件中。通过发现新原理和新方法，实现小尺度的表面等离激元波长选择器件，成为表面等离激元器件的一个研究难点。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种表面等离激元波长选择器件,由空间排列的金属柱构成，其不仅对表面等离激元具有良好的波长选择性的反射、透射和散射特性，而且结构简单，尺度小，并具有利于集成的独特优势。
本发明的目的在于提供一种表面等离激元波长选择器件。
本发明的表面等离激元波长选择器件包括：衬底及金属柱；其中，衬底为金属；金属柱垂直设置在衬底上；金属柱的数量为两根以上；金属柱的直径在100nm～2μm之间；金属柱的高度≥50nm；表面等离激元沿着衬底的表面传播，并在金属柱附近形成局域增强的电磁场，由于单根金属柱本身的特性和不同金属柱之间的共振而形成对不同波长选择性的反射或透射。
本发明的设置在金属衬底上的金属柱，对沿着衬底表面传播的表面等离激元的反射和透射具有明显的波长选择性。
进一步，金属柱的直径或边长小于2倍的入射表面等离激元等效波长，金属柱的高度小于5倍的入射表面等离激元等效波长。金属柱的截面的形状包括圆形、方形和六边形等规则的形状。金属柱的材料采用金、银和铝中的一种或两种以上。
金属柱的中心投影点连线构成规则的几何图案，包括不封闭的线和封闭的几何图案。金属柱的中心投影点连线构成不封闭的线，线的形状包括线段、弧线或其他波形；金属柱之间的距离可以等间距排列，也可以不等间距排列；金属柱为一排或两排。这种结构对表面等离激元的反射具有波长选择性，可以用作波分复用器及滤波器。与五排以上的呈周期性结构的光子晶体相比，这种两排以下的结构简单，尺寸小，易于制备和集成，并且成本低。
金属柱的中心投影点连线构成规则的封闭的几何图案，如三角形及六边形等。这样的结构，金属柱的侧壁之间形成谐振腔，对表面等离激元具有良好的局域性，表面等离激元在谐振腔内共振，形成多种模式。
本发明的优点：
本发明的表面等离激元波长选择器件采用垂直设置在衬底上的金属柱结构，这种结构不仅对表面等离激元具有良好的波长选择性的反射、透射和散射的特性，而且结构简单，尺度小，成本低，并具有利于集成的独特优势。
附图说明
图1为本发明的一种表面等离激元波长选择器件的实施例一的结构示意图；
图2为本发明的实施例一所产生的具有波长选择性的远场反射角谱；
图3为本发明的实施例一所产生的具有波长选择性的零度角远场反射谱；
图4为本发明的一种表面等离激元波长选择器件的实施例二的结构示意图；
图5为本发明的实施例二所产生的具有波长选择性的远场反射角谱；
图6为本发明的一种表面等离激元波长选择器件的实施例三的结构示意图；
图7为本发明的一种表面等离激元波长选择器件的实施例四的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，并通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
本发明的表面等离激元波长选择器件对等离激元的反射和透射的波长选择性，与金属柱的直径、高度、材料、几何图案及之间的距离有关，通过麦克斯韦(Maxwell)方程组及边界条件或商用软件(有限元矩阵法FDTD等)可求得。
实施例一
如图1所示，在本实施例中，单排金属柱2垂直设置在衬底1上，这种金属柱结构对表面等离激元的反射具有明显的波长选择性，形成表面等离激元波长选择性反射镜。金属柱由半径为200nm的银金属柱构成，单排银金属柱的中心投影点可以连成一条线段，每两个相邻的银金属柱的间距为400nm。这种表面等离激元波长选择器件具有良好的反射特性，当宽的平面波光源垂直于金属柱，平行于与衬底入射时，所产生的远场反射角度-波长反射谱如图2所示。特别的，在以上入射情况下，零度角处的远场反射强度随波长的变化如图3所示，在入射波长约770nm处产生明显的凹陷，反射波的强度趋近于零。
实施例二
如图4所示，在本实施例中，双排金属柱2垂直设置在衬底1上，这种金属柱结构对表面等离激元的反射具有明显的波长选择性，形成表面等离激元波长选择性反射镜。金属柱由半径为200nm的银金属柱构成，每一排银金属柱的投影可以连成一条线段，同一排的每两个相邻的银金属柱的间距为800nm；两排银金属柱之间的间距为400nm。这种表面等离激元波长选择器件具有特殊的反射特性，当用宽的近似平面波的表面等离激元源垂直于金属柱连线入射时，所产生的反射角度-波长远场反射谱如图5所示，该图中零级反射强度和一级反射强度都表现出一些特异处，在入射波所对应的真空波长540nm附近处零级反射极弱而一级反射非常强；在入射波所对应的真空波长700nm附近处零级反射极强而一级反射极弱，一级反射的强度几乎为零。这样特殊的反射谱表明这种金属柱结构对表面等离激元的反射具有明显的波长选择性，该结构可以作为表面等离激元滤波器使用。
实施例三
如图6所示，在本实施例中，12根金属柱垂直设置在衬底上，中心投影点的连线为两个共心的六边形，构成封闭的规则图形，形成等离激元纳米谐振腔。12根半径为200nm的银金属柱形成内外两层结构，内层和外层银金属柱的投影中心连线分别构成一个正六边形，这两个正六边形具有同一个中心，其中内层的正六边形的边长为800nm，外层的正六边形的边长为1100nm。这种表面等离激元纳米谐振腔具有良好的局域性，表面等离激元在谐振腔内共振，形成多种模式。
实施例四
如图7所示，在本实施例中，10根金属柱垂直设置在衬底上，中心投影点的连线构成封闭的图形，形成具有波长选择性的等离激元滤波器。金属柱由半径为200nm的银金属柱构成，调整金属柱之间的距离可以调节滤波的性能。金属柱21和22之间形成输入端，金属柱23和24之间形成输出端，当宽光谱的表面等离激元波从输入端入射时，在输出端出射的表面等离激元的强度具有明显的波长选择性，入射强度一致的情况下，出射表面等离激元的强度在对应800nm-900nm真空波长的范围内为零，在其他波长位置形成一系列峰值，在很宽的波长范围内具有特定波长的选择性，可以作为表面等离激元滤波器使用。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种表面等离激元波长选择器件，其特征在于，所述波长选择器件包括：衬底及金属柱；其中，衬底为金属；金属柱垂直设置在衬底上；金属柱的数量为两根以上；金属柱的直径在100nm～2μm之间；金属柱的高度≥50nm；表面等离激元沿着衬底的表面传播，并在金属柱附近形成局域增强的电磁场，由于单根金属柱本身的特性和不同金属柱之间的共振而形成对不同波长选择性的反射或透射；设置在金属衬底上的金属柱，对沿着衬底表面传播的表面等离激元的反射和透射具有波长选择性；所述金属柱的中心投影点连线构成规则的几何图案，为不封闭的线，或者封闭的几何图案。
2.如权利要求1所述的波长选择器件，其特征在于，所述金属柱的直径或边长小于2倍的入射表面等离激元等效波长，金属柱的高度小于5倍的入射表面等离激元等效波长。
3.如权利要求1所述的波长选择器件，其特征在于，所述金属柱的材料采用金、银和铝中的一种或两种以上。
4.如权利要求1所述的波长选择器件，其特征在于，所述金属柱的截面的形状包括圆形、方形和六边形的规则的形状。
5.如权利要求1所述的波长选择器件，其特征在于，所述金属柱的中心投影点连线构成不封闭的线；金属柱为一排或两排。
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