CN107121716A - 一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，属于辐射源技术领域。一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，用电子注激励周期结构中的仿表面等离子体激元，以激励出的仿表面等离子体激元作为激励源去耦合激励媒质元件中的表面等离子体激元，从而获得表面等离子体激元；其中，周期结构是由金、银或无氧铜制成的，周期结构包括多个重复排列的单元，并且相邻两个单元之间具有缝隙；媒质元件是由金属或石墨烯制成的薄膜。本发明能够提高激励效率，延长衰减时间。

Description

一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法
技术领域
本发明涉及辐射源技术领域，具体涉及一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法。
背景技术
近年来，人们提出使用表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons，缩写为SPPs)联合电子学与光子学产生辐射。基本过程在于通过平行运动电子注激励金属或石墨烯等承载SPPs的媒质，并通过切伦科夫辐射、Smith-Purcell辐射等将之转换为频率相干、可调辐射场。表面等离子体激元被认为是产生小型化、可集成、高功率密度、工作频率范围宽的新型辐射源的新方法。平行运动电子注对SPPs的激励是其中关键技术之一。目前，平行运动电子注激励SPPs是通过电子注在金属等媒质表面运动以激励SPPs，但存在以下不足：
运动电子注需非常靠近金属等媒质表面，难以控制电子注位置，激励SPPs的场幅值较低、激励效率较低；并且，激励的SPPs随时间迅速衰减。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，以解决现有表面等离子体激元SPPs激励场幅值较低、效率不高、随时间迅速衰减的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，用电子注激励周期结构中的仿表面等离子体激元，以激励出的仿表面等离子体激元作为激励源去耦合激励媒质元件中的表面等离子体激元，从而获得表面等离子体激元；
其中，周期结构是由金、银或无氧铜制成的，周期结构包括多个重复排列的单元，并且相邻两个单元之间具有缝隙；媒质元件是由金属或石墨烯制成的薄膜。
本发明获得表面等离子体激元SPPs的方式为：由电子注直接激励媒质元件中的表面等离子体激元SPPs转变为通过电子注激励周期结构的仿表面等离子体激元SSPs，再以仿表面等离子体激元SSPs作为激励源，激励媒质元件，使得表面等离子体激元SPPs的激励源由电子注投射场变为周期结构中的仿表面等离子体激元SSPs。而周期结构中的SSPs场相较于电子注投射场要大至少两个以上的数量级，因此，由周期结构中的SSPs作为激励源，能够获取更高的场幅值。同时，周期结构的SSPs是一个持续的输入信号，而电子注投射场仅为一个脉冲函数，这使得耦合激励时SSPs激励源能在时间上持续不断地耦合激励SPPs，从而大幅提高SPPs衰减时间至300飞秒以上。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述方法包括以下具体步骤：
用设置在周期结构一侧的电子枪发射电子注，电子注在周期结构上平行运动以激励出周期结构中的仿表面等离子体激元；以及
仿表面等离子体激元渗透穿过或传播穿过周期结构的缝隙，耦合激励设置在周期结构另一侧的媒质元件中的表面等离子体激元。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述周期结构与媒质元件间隔设置，周期结构与媒质元件之间的间隔距离等于仿表面等离子体激元的衰减深度与表面等离子体激元的衰减深度之和。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述媒质元件设置于基底上。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述周期结构为透射光栅、孔阵列结构或螺旋线结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用电子注激励周期结构中的仿表面等离子体激元(缩写为SSPs)作为耦合激励表面等离子体激元SPPs的激励源，使激励的SPPs场幅值较平行运动电子注直接激励强两个以上数量级，提高激励效率；SSPs持续激励SPPs，使SPPs的衰减时间大幅度延长，达300飞秒以上。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2(a)为实施例1的耦合激励与电子注直接激励的SPPs频域的对比图；
图2(b)为实施例1的耦合激励与电子注直接激励的SPPs时域的对比图；
图3为实施例1的耦合激励与电子注直接激励的等效电流源对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
参见图1所示出的本发明的原理图，电子枪1在周期结构2的上方发射电子注，用于激励周期结构中的仿表面等离子体SSPs。周期结构2设置在媒质元件3的上方，并且两者间隔设置。周期结构2中的仿表面等离子体SSPs作为激励源，穿过周期结构2的缝隙，去耦合激励媒质元件中的表面等离子体SPPs。媒质元件3设置在基底4上。
周期结构2由金、银或无氧铜制成的，其包括多个重复排列的单元，并且相邻两个单元之间具有缝隙。周期结构2可以是透射光栅、孔阵列结构或螺旋线结构。周期结构2与媒质元件3之间的间隔距离应当遵循以下原则：要求该间隔距离使周期结构2与媒质元件3的耦合不会导致SPPs与SSPs的色散曲线发生畸变，同时又保证SSPs的能量能尽量耦合为SPPs。简化一点，周期结构与媒质元件之间形成的间隔距离等于仿表面等离子体激元的衰减深度与表面等离子体激元的衰减深度之和。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
为了便于描述和理解，将图1的原理图结构划分为五个区域：I区为在周期结构上方的真空区域，电子注在此区域运动；II区为周期结构，其具体的结构与参数由整体结构确定；III区为周期结构与金属薄膜之间的间隔区域；IV区为金属薄膜区域；V区为基底。本发明所指的整体结构，是指有前述五个区域组成的整体结构。
实施例1：
本实施例以耦合激励金属薄膜中的SPPs为例说明，即媒质元件为金属薄膜，具体地，本实施例选用的金属薄膜为银薄膜。
本实施例电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，包括：
一、考察金属薄膜的色散特性。
本实施例为银薄膜，其薄膜厚度为50nm，其相对介电常数由Drude模型描述，具体为
其中，ε∞为5.3，ωp为1.39e16rad/s，γ为3.21e13Hz
此时，结合金属薄膜的边界条件，可以得出其中SPPs的色散方程如下：
其中，
d为金属薄膜的厚度，η为真空中的波阻抗，k0为真空中平面波的波数，kSPPs为SPPs的传播常数。
根据公式(12)，计算得到SPPs的色散曲线，确定其传播常数与工作频率的关系。在此基础上，进一步确定SPPs在区域III中垂直于传播方向的衰减深度，有
在不影响说明该发明原理情况下，对上述公式进行简化计算，拟认为基底与间隔区域的相对介电常数为1。根据上述公式计算得出，对于该银薄膜中的SPPs，其对称模式的主要工作频率在800-850THz范围内，其非对称模式工作频率在850-900THz范围内，其在间隔区域的衰减深度(DSPPs)在50-100nm范围内。
二、根据银薄膜SPPs的色散特性设计周期结构确定其结构参数。
为了使SSPs能渗透或传播至金属薄膜表面，在本实施例中选择透射光栅作为周期结构。为了使周期结构的SSPs满足耦合激励SPPs的边界条件，SSPs的工作频率同样应在800-850THz(对应耦合激励对称模式SPPs)或850-900THz(对应耦合激励非对称模式)范围内。在该频率范围内，可使用无氧铜作为媒质元件，以避免周期结构本身材料中可能支持SPPs的影响(如金属银在该频率范围支持SPPs)。根据周期结构边界条件，得出其色散方程为:
其中，
kSSP为SSPs的传播常数，D为周期结构周期，a为周期结构占空，n为空间谐波次数，d1为周期结构上表面距离媒质元件的高度，d2为周期结构下表面距离媒质元件的高度。周期结构中SSPs在间隔区域的垂直方向上的衰减深度为
同样，在不影响说明该发明原理情况下，对上述公式进行简化计算，认为周期结构占空中与间隔区域的相对介电常数为1。通过数值计算在所要求的工作频率范围内，可取周期结构的参数周期D为120nm，周期结构中缝隙宽度a为60nm，周期结构深度d1-d2为100nm，对应银薄膜中非对称模式SPPs；可取周期结构的参数周期D为120nm，周期结构中缝隙宽度a为60，周期结构深度d1-d2为120nm，对应金属薄膜中对称模式SPPs。此时，由于SSPs为各次空间谐波的叠加，其能量主要集中在n＝0的基波。进一步得出基波的衰减深度在50-100nm。
三、根据SSPs与SPPs的衰减长度确定两者的间隔距离。
根据上述计算，可取两者衰减深度的和，即100-200nm。
四、对周期结构与银薄膜的整体结构进行分析，验证上述结构关系。
根据边界条件，可得出整体结构的色散方程为：
其中，
将上述结构参数带入以上方程，通过数值计算，表面电子注在周期结构表面激励的SSPs可耦合激励起金属薄膜表面的SPPs。
根据上述计算出的参数，用电子注激励周期结构中的仿表面等离子体激元，以激励出的仿表面等离子体激元作为激励源去耦合激励媒质元件中的表面等离子体激元，从而获得表面等离子体激元。具体地：
用设置在周期结构一侧的电子枪发射电子注，电子注在周期结构上平行运动以激励出周期结构中的仿表面等离子体激元；以及仿表面等离子体激元穿过周期结构的缝隙，耦合激励设置在周期结构另一侧的媒质元件中的表面等离子体激元。周期结构与媒质元件之间形成的间隔距离等于仿表面等离子体激元的衰减深度与表面等离子体激元的衰减深度之和。
在本实施例中，周期结构为投射光栅，其结构参数为：周期结构的参数周期D为120nm，周期结构中缝隙宽度a为60nm，周期结构深度d1-d2为100nm，对应银薄膜中非对称模式SPPs；周期结构的参数周期D为120nm，周期结构中缝隙宽度a为60，周期结构深度d1-d2为120nm，对应金属薄膜中对称模式SPPs。
图2(a)为本实施例的耦合激励与现有的电子注直接激励的SPPs频域的对比图；图2(b)为本实施例的耦合激励与现有的电子注直接激励的SPPs时域的对比图。从图2(a)和图2(b)可以看出，本实施例的耦合激励的SPPs幅值较平行运动电子注直接激励强两个以上数量级，提高激励效率；SSPs持续激励SPPs，使SPPs的衰减时间大幅度延长，达300飞秒以上。
图3为本实施例的耦合激励与电子注直接激励的等效电流源对比图。从图3可以看出，耦合激励的等效电流源较电子注直接激励的等效电流源具有特定工作频率与场幅值高的特点。
实施例2：
本实施例以耦合激励石墨烯薄膜中的SPPs为例说明，即媒质元件为金属薄膜。
本实施例电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，包括：
一、考察待耦合激励的石墨烯薄层中SPPs的色散特性。由于石墨烯薄层是一种2维材料，其厚度可视为0，在分析过程中可将其视为一个具有电导率σGra的薄层。
其中，μC为化学势，kB为玻尔兹曼常数，为普朗克常数，取温度T＝300K，弛豫时间τ＝0.5ps。
采用与实施例1相似的分析方法，得出石墨烯薄层中SPPs的色散方程为：
ε0ω(ε3k4+ε4k3)+jk3k4σGra＝0 (22)
其中
其在间隔区域中的垂直于传播方向的衰减深度为：
在不影响说明该发明原理情况下，对上述公式进行简化计算，认为基底与间隔区域的相对介电常数为1。
根据上述公式计算得出，对于石墨烯薄层的SPPs的工作频率主要集中在1-30THz频率范围内，其衰减深度为20-300nm。
二、根据石墨烯薄层SPPs的色散特性设计周期结构确定其结构参数。
具体实施过程与实施例1一致，不再赘述。但由于石墨烯SPPs的传播常数通常远大于同频率中的平面波。在设计周期结构时，一方面可考虑使用较该频率真空中平面波的波长小的周期D，使SSPs具有较大的传播常数，另一方面使用较深的周期深度，使SSPs工作频率在SPPs工作频率范围内。另外，还可以使用负一次谐波参与石墨烯SPPs耦合，降低电子注电压。例如，对于上述石墨烯薄层参数，在上述条件下可取周期结构参数为：周期D为200nm，周期结构缝隙a为100nm，周期深度为2000nm。根据相似的计算，此时SSPs的衰减深度大致为200nm。
三、根据SSPs与SPPs的衰减长度确定两者的间隔距离。
根据上述计算，可取两者衰减深度的和，即200-500nm。
四、对周期结构与金属薄膜的整体结构进行分析，验证上述结构关系。
根据边界条件，可得出整体结构的色散方程为：
其中，
h1为石墨烯薄层与周期结构的间隔，h2为周期结构的深度。将上述参数带入，可在结构整体考虑情况下验证所设参数是否合理。通过数值计算，表面电子注在周期结构表面激励的SSPs可耦合激励起金属薄膜表面的SPPs。
根据上述计算出的参数，用电子注激励周期结构中的仿表面等离子体激元，以激励出的仿表面等离子体激元作为激励源去耦合激励媒质元件中的表面等离子体激元，从而获得表面等离子体激元。具体地：
用设置在周期结构一侧的电子枪发射电子注，电子注在周期结构上平行运动以激励出周期结构中的仿表面等离子体激元；以及仿表面等离子体激元穿过周期结构的缝隙，耦合激励设置在周期结构另一侧的媒质元件中的表面等离子体激元。周期结构与媒质元件之间形成的间隔距离等于仿表面等离子体激元的衰减深度与表面等离子体激元的衰减深度之和。
在本实施例中，周期结构为孔阵列结构，其结构参数为：周期D为200nm，周期结构缝隙a为100nm，周期深度为2000nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，其特征在于，用电子注激励周期结构中的仿表面等离子体激元，以激励出的所述仿表面等离子体激元作为激励源去耦合激励媒质元件中的表面等离子体激元，从而获得所述表面等离子体激元；
其中，所述周期结构是由金、银或无氧铜制成的，所述周期结构包括多个重复排列的单元，并且相邻两个所述单元之间具有缝隙；所述媒质元件是由金属或石墨烯制成的薄膜。
2.根据权利要求1所述的电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，其特征在于，所述方法包括以下具体步骤：
用设置在所述周期结构一侧的电子枪发射所述电子注，所述电子注在所述周期结构上平行运动以激励出所述周期结构中的所述仿表面等离子体激元；以及
所述仿表面等离子体激元渗透或传播穿过所述周期结构的所述缝隙，耦合激励设置在所述周期结构另一侧的所述媒质元件中的所述表面等离子体激元。
3.根据权利要求2所述的电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，其特征在于，所述周期结构与所述媒质元件间隔设置，所述周期结构与所述媒质元件之间形成的间隔距离等于所述仿表面等离子体激元的衰减深度与所述表面等离子体激元的衰减深度之和。
4.根据权利要求3所述的电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，其特征在于，所述媒质元件设置于基底上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电子注耦合激励表面等离子体激元的方法，其特征在于，所述周期结构为透射光栅、孔阵列结构或螺旋线结构。
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