CN109581552A - 一种用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其包括：本底，本底上形成有狭缝或者二维孔阵列；本底上为狭缝时，相邻狭缝距离渐变且成周期性变化；本底上为二维孔阵列时，相邻列孔间距渐变且成周期性变化，相邻行孔间距渐变且成周期性变化。本发明薄膜金属光栅在整体为周期性结构的提前下，每个周期中相邻狭缝采用距离渐变的排列方式，以使不同波长的入射光可以通过不同狭缝增强透射，从而整体达到加宽增强透射光谱的目的；二维金属孔阵列亦如此。
Description
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，涉及一种用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构。
背景技术
表面等离激元是入射光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式。在这种相互作用下，金属表面的自由电子在与其频率相同的光波照射下发生集体振荡。自由电子的振荡局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定亚波长结构条件下在金属表面形成光场增强。表面等离激元在光催化、纳米集成光子学、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池、红外探测器以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景。特别地，在表面等离激元的辅助作用下，狭缝宽度(或金属孔尺寸)为亚波长的薄膜金属光栅(或薄膜金属孔阵列)对特定波长和偏振方向的入射光有透射增强作用，其归一化的透射率可大于1，远大于经典光学的结果[Xie,Y.,Zakharian,A.R.,Moloney,J.V.,and Mansuripur,M.,Optics Express,13(12),4485-91(2005)；Fang,X.,Li,Z.,Long,Y.,Wei,H.,Liu,R.,Ma,J.,Kamran,M.,Zhao,H.,Han,X.,Zhao,B.,and Qiu,X.,Physical Review Letters,99,066805(2007)；Chang,C.-C.,Sharma,Y.D.,Kim,Y.-S.,Bur,J.A.,Shenoi,R.V.,Krishna,S.,Huang,D.,and Lin,S.-Y.,Nano Letters,10,1704-09(2010)]。这对在红外探测领域特别是外延化合物探测器的应用领域非常关键，因为它可以将出射光场集中在出射金属薄膜表面的近场区域，从而大大减小所需的探测器吸收区长度，减小工艺生长难度，缩短材料生长时间，提高工艺精度。但是自从1998年Ebbesen等人发现透射增强现象以来[Ebbesen,T.W.,Lezec,H.J.,Ghaemi,H.F.,Thio,T.,and Wolff,P.A.,Nature,391,667(1998)]，对于特定结构的周期性薄膜金属光栅(或薄膜金属孔阵列)，如图1所示，其都只能增强透射某一个或几个特定波长且带宽很窄的入射光，不能增强透射一个连续波段的光，这严重限制了其在需要响应一个连续波段的探测器上的应用。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：克服现有利用表面等离激元增强透射的金属光栅的缺陷，提供一种用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，薄膜金属光栅在整体为周期性结构的前提下，每个周期中相邻狭缝采用距离渐变的排列方式，以使不同波长的入射光可以通过不同狭缝增强透射，从而整体达到加宽增强透射光谱的目的。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其包括：本底，本底上形成有狭缝或者二维孔阵列；本底上为狭缝时，相邻狭缝距离渐变且成周期性变化；本底上为二维孔阵列时，相邻列孔间距渐变且成周期性变化，相邻行孔间距渐变且成周期性变化。
其中，所述本底上为狭缝时，薄膜金属结构为一维薄膜金属光栅；本底上为二维孔阵列时，薄膜金属结构为二维金属孔阵列。
其中，所述本底采用金或银。
其中，所述一维薄膜金属光栅中的相邻狭缝距离按照线性或非线性变化方式渐变。
其中，所述一维薄膜金属光栅中的相邻狭缝距离按照等差或等比变化方式渐变。
其中，所述二维金属孔阵列中的相邻列孔间距按照线性或非线性变化方式渐变。
其中，所述二维金属孔阵列中的相邻列孔间距按照等差或等比变化方式渐变。
其中，所述二维金属孔阵列中的相邻行孔间距按照线性或非线性变化方式渐变。
其中，所述二维金属孔阵列中的相邻行孔间距按照等差或等比变化方式渐变。
其中，所述薄膜金属光栅中的相邻狭缝距离按照等差变化方式渐变时，狭缝宽度为w且小于入射波长；相邻狭缝距离为d＝d0(1-Nρ)，式中d0为与该薄膜金属光栅透射峰位置相同的常规金属光栅常数，N为自然数，ρ为相邻狭缝距离的变化梯度，0<ρ<1。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，由于单周期内采用了相邻狭缝距离渐变的结构，不同距离的狭缝表面等离激元可以耦合不同入射波长的光再出射，从而实现一个连续波段的增强透射；由于依然具有典型的常规金属光栅特征，其出射光场依然局域在光栅表面附近，从而大大减小所需的探测器吸收区长度，减小工艺生长难度，缩短材料生长时间，提高工艺精度；对入射光有很强的偏振选择特性，和探测器组合可以选择性探测TM模式的入射光，如果需要对入射光偏振方向不敏感的应用环境，只需将一维薄膜金属光栅改为二维金属孔阵列即可；制备过程已经非常成熟，在技术和工程上都很容易实现。
附图说明
图1为现有的常规薄膜金属光栅的结构示意图；
图2为本发明所述用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属光栅的结构示意图；
图3为现有的常规薄膜金属光栅中入射光波长随薄膜金属光栅厚度变化的透射谱；
图4为本发明所述薄膜金属光栅中入射光波长随薄膜金属光栅厚度变化的透射谱；
图5为光栅厚度为2.5μm时不同波长的入射光在常规薄膜金属光栅和本发明所述薄膜金属光栅的透射曲线；
图6为常规薄膜金属光栅不同波长入射光的坡印廷矢量强度分布；
图7为本发明所述薄膜金属光栅不同波长入射光的坡印廷矢量强度分布。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构包括：本底，本底上形成有狭缝或者二维孔阵列；本底上为狭缝时，相邻狭缝距离渐变且成周期性变化；本底上为二维孔阵列时，相邻列孔间距渐变且成周期性变化，相邻行孔间距渐变且成周期性变化。
本底上为狭缝时，薄膜金属结构为一维光栅；本底上为二维孔阵列时，薄膜金属结构为二维金属孔阵列。
本底采用但不限于金、银等利用自由电子导电的材料。
一维光栅中的相邻狭缝距离按照线性或非线性变化方式渐变，优选按照等差或等比变化方式渐变。
二维金属孔阵列中的相邻列孔间距按照线性或非线性变化方式渐变，优选按照等差或等比变化方式渐变。
二维金属孔阵列中的相邻行孔间距按照线性或非线性变化方式渐变，优选按照等差或等比变化方式渐变。
对于一维光栅，其制备过程为：先利用电子束蒸发或磁控溅射等技术在探测器或其它应用衬底表面镀上所需厚度的金属薄膜，再通过离子束刻蚀或标准平板印刷加模板剥离技术刻蚀出所需的光栅结构，形成薄膜金属光栅。
上述薄膜金属光栅，其狭缝宽度为w，且小于入射波长；厚度为h，以使薄膜金属上下表面的等离激元形成共振；其相邻狭缝距离为d＝d0(1-Nρ)，式中d0为与该薄膜金属光栅透射峰位置相同的常规金属光栅常数，N为自然数，ρ为相邻狭缝距离的变化梯度，0<ρ<1。如此，相邻狭缝距离渐变且成周期变化，以使不同波长的入射光通过狭缝增强透射。
不止针对一维光栅，相邻孔距离渐变的二维金属孔阵列也同样能实现加宽红外增强透射谱的效果，只是不再选择性透射偏振方向不同的入射光。
实施例1
本实施例所述薄膜金属光栅如图2所示，其本底为金，狭缝宽度和光栅厚度采用和常规薄膜金属光栅相同的参数，分别为w和h，狭缝宽度小于入射光波长；相邻狭缝距离为d＝d0(1-Nρ)，式中d0为与该薄膜金属光栅透射峰位置相同的常规金属光栅常数，N为自然数，ρ为相邻狭缝距离的变化梯度，0<ρ<1，相邻狭缝距离渐变且成周期变化。入射光为横磁波(TM)。
实施例2
本实施例采用实施例1所述相邻狭缝距离等差渐变的薄膜金属光栅结构。
薄膜金属光栅狭缝宽度采用w＝0.98μm，常规金属光栅常数采用d0＝3μm，相邻狭缝距离变化梯度采用ρ＝0.1。此时常规金属光栅和本发明薄膜金属光栅中入射光波长随薄膜金属光栅厚度变化的透射谱分别如图3和图4所示。可以看到在特定光栅厚度下，相邻狭缝距离渐变的薄膜金属光栅的透过波长相比于常规金属光栅明显加宽了，且最大透过率相当，最小透过率也有明显提升。
例如，对于光栅厚度h＝2.5μm的情况，不同入射波长的透过率如图5所示，本发明所述薄膜金属光栅的透射曲线明显加宽。更具体的，一级透射率大于55％的波段从3.4-3.48μm扩展到了3.04-3.6μm，二级透射率大于81％的波段从5.82-6.96μm扩展到了5.44-7.0μm，且一、二级透射峰之前透射谷的透射率从21.3％提升到了42.0％。要实现对其它不同波长范围的响应，只需改变薄膜金属光栅厚度即可。
图6为常规薄膜金属光栅不同波长入射光的坡印廷矢量强度分布，可以看到通过所有狭缝的出射能量都是相同的，强度大小只和入射波长有关。图7为本发明所述薄膜金属光栅不同波长入射光的坡印廷矢量强度分布，可见对于同一个波长的入射光，不同狭缝的出射能量是不同的，且在除了入射光与常规薄膜金属光栅耦合的情况之外单狭缝最大出射能量远大于常规薄膜金属光栅，而单狭缝最小出射能量与常规薄膜金属光栅相当；此外随着入射光波长的变化，最大出射能量的狭缝位置也发生了移动，从而确保光栅整体对较宽入射波长范围的光都有较大的透射率。
实施例3
本实施例采用实施例1所述相邻狭缝距离等差渐变的薄膜金属光栅结构。
薄膜金属光栅狭缝宽度采用w＝0.5μm，其它参数与实施例2一致。此时常规金属光栅和本发明薄膜金属光栅中入射光波长随薄膜金属光栅厚度变化的透射谱波形和强度、坡印廷矢量都分别与实施例2类似，相邻狭缝距离渐变依然表现出对透射波段明显的加宽效应。
实施例4
本实施例采用实施例1所述相邻狭缝距离等差渐变的薄膜金属光栅结构。
薄膜金属光栅狭缝宽度采用w＝0.98μm，常规金属光栅常数采用d0＝3μm，相邻狭缝距离变化梯度采用ρ＝0.2。此时常规金属光栅和本发明薄膜金属光栅中入射光波长随薄膜金属光栅厚度变化的透射谱分别如图3所示和类似于图4。可以看到在特定光栅厚度下，相邻狭缝距离渐变的薄膜金属光栅的透过波长相比于常规金属光栅明显加宽了，且最大透过率相当，最小透过率也有明显提升。例如，对于光栅厚度h＝2.5μm的情况，不同入射波长的透过率如图5所示，本发明所述薄膜金属光栅的透射曲线明显加宽。更具体的，一级透射率大于55％的波段从3.4-3.48μm扩展到了3.11-3.58μm，二级透射率大于81％的波段从5.82-6.96μm扩展到了5.64-6.98μm，且一、二级透射峰之前透射谷的透射率从21.3％提升到了38.1％。要实现对其它不同波长范围的响应，只需改变薄膜金属光栅厚度即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，包括：本底，本底上形成有狭缝或者二维孔阵列；本底上为狭缝时，相邻狭缝距离渐变且成周期性变化；本底上为二维孔阵列时，相邻列孔间距渐变且成周期性变化，相邻行孔间距渐变且成周期性变化。
2.如权利要求1所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述本底上为狭缝时，薄膜金属结构为一维薄膜金属光栅；本底上为二维孔阵列时，薄膜金属结构为二维金属孔阵列。
3.如权利要求2所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述本底采用金或银。
4.如权利要求3所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述一维薄膜金属光栅中的相邻狭缝距离按照线性或非线性变化方式渐变。
5.如权利要求4所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述一维薄膜金属光栅中的相邻狭缝距离按照等差或等比变化方式渐变。
6.如权利要求5所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述二维金属孔阵列中的相邻列孔间距按照线性或非线性变化方式渐变。
7.如权利要求6所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述二维金属孔阵列中的相邻列孔间距按照等差或等比变化方式渐变。
8.如权利要求7所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述二维金属孔阵列中的相邻行孔间距按照线性或非线性变化方式渐变。
9.如权利要求8所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述二维金属孔阵列中的相邻行孔间距按照等差或等比变化方式渐变。
10.如权利要求9所述的用于加宽红外增强透射谱的薄膜金属结构，其特征在于，所述薄膜金属光栅中的相邻狭缝距离按照等差变化方式渐变时，狭缝宽度为w且小于入射波长；相邻狭缝距离为d＝d0(1-Nρ)，式中d0为与该薄膜金属光栅透射峰位置相同的常规金属光栅常数，N为自然数，ρ为相邻狭缝距离的变化梯度，0<ρ<1。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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