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Abstract

本发明公开了一种实现宽带增强衍射的微结构，该微结构为采用金属‑介电‑金属材料的三明治型结构，其中一侧的金属层为周期性排列的金属块阵列，另一侧的金属层为无结构的金属平板；金属块阵列在平面方向上，沿横轴方向的周期为亚波长，沿纵轴方向的周期为超波长。由于本发明三明治型元胞结构的局域等离激元增强散射和超波长周期性结构的干涉效应，光的一阶衍射效率能够在600‑1500纳米的波长范围内获得极大的提高(50‑95％)。本发明的微结构可用于制作平面、超薄、宽带和高效的光学色散元件。

Description

一种实现宽带增强衍射的微结构
技术领域
本发明涉及一种宽带、增强的一阶衍射的微结构，可将入射光在宽带波长范围内高效地转化为色散的一阶衍射光。
背景技术
我们知道，光通过透射光栅时将产生衍射效应。通常，很大一部分衍射光的能量会分布在无色散的0级光谱中。在用于光谱分析和研究的色散光学元件中，宽带、增强且具有色散的衍射光谱显得十分重要。在薄膜太阳能电池的设计中，微结构产生的增强衍射有利于抑制反射光，同时增强光与薄膜波导模的耦合。以往，利用截面为锯齿形的闪耀光栅或具有深度矩形沟槽的介质光栅，人们在一定的情况下已经实现增强的高阶衍射。但是，这些光学元件往往具有表面粗糙不平或厚度较大的缺点，不利于器件加工或纳米光子学元件的集成。
近来，微结构的表面等离激元材料为开发亚波长的衍射光学元件提供了新的途径。金属纳米结构的表面电荷与电磁场之间存在强耦合，可将其应用于光路的控制。在超构表面以及超构材料的设计中，金属上的纳米孔或电介质中的金属纳米颗粒能够激发表面等离激元或局域等离激元共振。在这些结构周期排列的情况下，许多现象诸如增强透射效应、偏振变换、负折射效应、以及反常折射等都有可能出现。然而，目前关于准二维的微结构表面的研究多数集中在亚波长区域。正如在增强透射效应中所见，因为微结构的周期小于或远小于工作波长，0阶透射在特定波段得到显著加强，而高阶衍射则被极大地抑制。最近，Guo等研究了一种双周期的等离激元表面(Opt.Lett.36,4764(2011)&Appl.Phys.Lett.101,241115(2012))，它是通过对超薄的金属膜上短周期的狭缝或圆孔阵列附加一个长周期的调制而形成。这一系统可以在表面等离激元共振波长附近支持传播的一阶衍射效应。不过，其工作带宽较窄(约100nm)，并且衍射效率较低(低于5％)。
发明内容
为了实现平面、超薄、宽带、高效的色散光学元件，本发明提供了一种宽带、高效的一阶衍射的实现结构，这一结构采用了微结构的表面等离激元材料，具有平面、超薄的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种实现宽带增强衍射的微结构，该微结构为采用金属-介电-金属材料的三明治型结构，其中一侧的金属层为周期性排列的金属块阵列，另一侧的金属层为无结构的金属平板；所述金属块阵列在平面方向上，沿横轴方向的周期为亚波长，沿纵轴方向的周期为超波长。这样设计的作用如下：第一，亚波长和超波长复合周期的设计是为了能够产生为数不多的几个出射衍射阶，包括0阶和±1阶衍射。第二，三明治型金属/介电/金属元胞结构可以产生局域等离激元增强的光散射效应，这一增强的光散射具有宽带的特征。第三，由于超波长周期性结构的干涉效应，不同元胞辐射的散射光能够干涉加强，从而产生高效的高阶衍射。
周期性的金属块的形状关于偏振方向为对称或者不对称结构，如矩形、椭圆形、梯形或其它形状。
由于本发明三明治型元胞结构的局域等离激元增强散射和超波长周期性结构的干涉效应，光的一阶衍射效率能够在600-1500纳米的波长范围内获得极大的提高(50-95％)。本发明的结构可适用于制作平面、超薄的微型光学色散元件，用于光谱研究和分析。此外，在薄膜太阳能电池的设计中，增强的光的衍射效应还可以提高光的耦合效率。
附图说明
图1(a)基于对称的矩形金属块的元胞示意图，(b)系统结构示意图。
图2(a)衍射效率随波长变化曲线，(b)波长为1050纳米的能流分布图。
图3(a)、(b)分别为波长为830和1030纳米的电流分布图，(c)单个元胞结构的散射截面，(d)、(e)分别为波长为1050纳米的电场和磁场分布图(单个元胞)。
图4(a)基于非对称的梯形金属块的元胞示意图，(b)单个元胞结构的散射截面。
图5(a)衍射效率随波长变化曲线，(b)波长为1050纳米的能流分布图。
具体实施方式
本发明的金属块形状没有特殊限定，下面将以矩形和梯形金属块为实施例对本发明做进一步说明，前者可产生对称增强的±1阶衍射，而后者将导致更为高效的、非对称的-1阶衍射。
实施例1
作为第一个实施例，采用矩形的金属块阵列。在金属-介质-金属三明治结构中，上层周期排列的矩形金属块与底层平坦的金属薄板被一玻璃间隔层隔开。图1(a)和图1(b)分别是元胞和系统的示意图。矩形金属块的长、宽、高分别取为l＝600nm,w＝200nm,h＝80nm；玻璃薄层的厚度为t＝90nm，底层的金属薄板厚150nm(该厚度远大于趋肤深度，可以阻止光的透射)。研究的波段从可见光到近红外，波长为600-1500nm。金属块在xy方向的周期设为dx＝360nm，dy＝1800nm。这样，x方向为亚波长结构，而y方向为超波长结构。平面电磁波从顶部垂直入射到这一结构上，光电场沿着x轴方向。
图2(a)给出了用时域有限差分方法模拟得到的衍射光谱(这里只给出零阶和正负一阶衍射，更高阶衍射光非常微弱，故忽略)。由于结构的对称性，正负一阶衍射有着完全相同的效率。有趣的是，在较宽的一段频带里，都存在着零阶反射被抑制而一阶衍射明显增长的现象。在650-1300nm范围内，零阶模式的反射率低于10％，一阶模式衍射的效率达到了47％(正负一阶衍射的和则达到94％)。不过，在更短或更长的波长范围内(λ<650nm或λ>1300nm)，一阶衍射则有所削弱。图2(b)展示了数值模拟的yz平面内的能流分布(波长选为1050nm)。从图中可以清楚地看到两个对称的一阶衍射，其衍射角为35.0度。
这里存在一个问题，为什么如此简单的一个结构能产生超宽带的衍射光谱呢？为了回答这个问题，本发明计算了周期结构中的电流分布。这里以波长830nm和1030nm为例，计算结果分别展示在图3(a)与图3(b)中。可以看到在上述两种波长下，顶部的矩形金属块和底部的金属平板均有反向平行的感应电流产生，形成一个准电流回路。波长为830nm的感应电流回路较小，而波长为1030nm的电流回路则较长。对其它波长的模拟计算也显示了类似的结果。可见，当电磁波照射该结构时，其中将产生感应电流环路；激发波长越长，则电流环路也越长。或者说，该结构具有自我调节功能(能有效调节电流回路的长度)，并对外部激发做出响应。从LC电路的角度来看(即将三明治结构视作LC振子)，不同长度的电流回路具有不同的电感和谐振频率。
为了进一步确认这一局域振荡缘于元胞而非周期结构，使用数值计算了一个独立元胞的散射截面，如图3(c)所示(图中为散射截面对元胞面积的比值)。在考虑的波长范围内，散射截面明显大于1(大约为2.3-3.8)，显示了宽带的增强散射效应。其实在某些情况下，人们已经观察到了宽带的增强散射现象，如自由电子的汤姆森散射。这里，包含自由电子的等离激元材料能够扮演类似的角色。与纳米球、纳米棒等孤立金属粒子相比，三明治结构能够有效地调节电流回路长度以回应外部激发，从而产生一个类似共振的等离激元响应。以一随机波长如1050nm为例，图3(d)与3(e)分别展示了一个独立元胞的电场和磁场分布图(入射电场强度设为1)。增强的电磁场证实了局域的类共振响应的存在。
除了元胞所具备的宽带增强散射能力，结构的周期性同样起了重要作用。当入射光照射在金属表面时，电磁场会被元胞结构所散射，而周期结构的干涉效应使得分立的衍射级得以加强。在结构平面内部的衍射波矢量由倒格矢Gmn决定：
这里m与n为两个整数。相应地，衍射角θ由下面的广义衍射光栅方程决定：
θ的实根决定了传播衍射波的存在。由于x方向的亚波长特征(dx<λ)和y方向的超波长特征(dy>λ)，只有(0,n)阶模式能够传播，其它皆为消逝波。因而，这样的设计有利于少数衍射阶加强，达到能量集中的目的。(0,n)阶衍射波沿yz平面传播，衍射角为θ0n＝sin-1(nλ/dy)(n＝0,±1分别代表零阶和正负1阶衍射)。对于一阶衍射，衍射角θ范围从19.5到56.5度。当λ＝1050nm时，等式给出的衍射角为θ01＝35.7°，与图2(b)模拟显示的35°接近。
实施例2
作为第二个实施例，采用关于x轴方向不对称的梯形金属块阵列。如前所述，矩形金属块的对称结构使得正负一阶衍射以同样的效率同时产生，两者皆限制在50％以下。这并不利于实际应用。为了抑制其中一个一阶衍射(如+1阶)并使另外的一阶衍射(-1阶)加强，可以采用非对称结构的梯形金属块代替矩形金属块，并形成类似图1(b)的结构。图4(a)展示了基于等腰梯形金属块的元胞结构示意图。与矩形金属块相比，梯形金属块结构关于xz平面不再对称。在这种情况下，元胞将在yz平面内产生(相对于xz平面)不对称的散射光。相应地，周期结构辐射的散射波的叠加将导致非对称的正负一阶衍射。
通过数值计算证实上述结论。在模拟中，晶格常数和薄膜的厚度与矩形金属块中所用的尺寸相同(dx＝360nm，dy＝1800nm，三明治结构的厚度为80/90/150nm)，梯形上下底的宽度分别选取为100nm和320nm，梯形的长度选为1200nm。研究表明，基于梯形金属块的三明治结构同样支持宽带的、增强的光散射效应。模拟得到的单个元胞结构的散射截面显示在图4(b)中。另外，电磁场分布的模拟计算也显示了近场区域场的增强效应(这里未给出)。单个元胞的宽带远场散射与近场增强再次证实了局域的等离激元响应。
图5(a)给出了模拟的基于梯形金属块阵列的衍射光谱。在整个光谱波长范围内(625-1525nm)，零级光谱非常微弱，其反射效率低于20％。同时，两个正负一阶衍射谱由于结构的不对称而分裂。在研究的波长区域，(0,1)或1阶谱的衍射效率也低于20％。与此相反，(0，-1)或-1阶衍射在一较宽带宽内显著增长，其衍射效率高达50-95％(工作波长从625nm到1525nm，宽达900nm)。其中，从980nm到1370nm，效率更是达到80％以上。图5(b)展示了波长为1050nm处的模拟能流分布图，其中可以明显地观察到这个不对称的、增强的负1阶衍射。除此以外，还注意到二阶衍射也出现在衍射谱中。不过，它们对应的是较短的波长(625-900nm)、较低的效率(低于15％)以及更大的衍射角度(44-95度)。
总而言之，本发明利用三明治型的金属/介质/金属结构并采用亚波长和超波长混合周期设计方案，可以实现宽带、增强的一阶衍射效应。这一效应与元胞结构的局域等离激元增强的光散射及超波长周期结构的干涉效应有关。对于基于对称的矩形金属块结构而言，0阶反射能够得到强烈的抑制，从而导致两个宽频、对称、增强的正负1阶衍射。对于不对等的等腰梯形金属块阵列，正负1阶衍射的简并可以消除，即可得到宽带、增强的-1阶衍射。这些结构是平面、超薄的，有利于构造高效、微型的光子学元器件。

Claims (1)

1.一种实现宽带增强衍射的微结构，其特征在于，该微结构为采用金属-介电-金属材料的三明治型结构，其中一侧的金属层为周期性排列的金属块阵列，另一侧的金属层为无结构的金属平板；所述金属块阵列在平面方向上，沿横轴方向的周期为亚波长，沿纵轴方向的周期为超波长；所述金属块的形状为关于纵轴方向对称的梯形，梯形的上底和下底的宽度分别为100nm和320nm，梯形的长度为1200nm；所述微结构的厚度为320nm。
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