CN111855341A - 支持全极化耦合模式的介质/金属复合结构及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持全极化耦合模式的样品、调控装置和调控方法；样品自底向上依次为玻璃基底、金属膜层和介质膜层；调控装置包括输入光路、容置载体和检测机构，输入光路包括可调偏振态和入射角度的线偏振平行白光光源；容置载体包括样品和棱镜，其中将样品的玻璃基底一侧处于棱镜中；从输入光路入射的偏振光照射至样品的金属膜上。检测机构放置在反射光路上，检测反射谱。通过改变介质膜的折射率、厚度和入射光角度调控TM光产生的表面极化波导模式和TE光产生的类表面极化表面波导模式的共振峰，同时支持高阶模式。本发明突破仅能应用TM光产生表面波的限制，拓展了TE光的应用，实现全极化耦合，提高了偏振极化的应用效率。

Description

支持全极化耦合模式的介质/金属复合结构及其应用
技术领域
本发明涉及传感、颜色显示技术领域，具体涉及一种支持全极化耦合模式的介质/金属复合结构及其应用。
背景技术
表面等离子体在亚波长尺度可以对光进行约束和操作，凭借优异性能在生物、化学、传感、纳米光子集成等领域拥有广泛的应用，因此获取等离子体波是基础。由于表面等离子激元的动量与入射光子的动量不匹配，不能直接用光激发金属表面产生等离子体波，引入特殊结构达到波什匹配，目前最为简便和广泛的方法就是棱镜耦合。这种方法产生的表面等离子波必须是由TM偏振光激发，基于目前理论TM偏振光产生垂直方向的电场导致金膜中的自由电子产生极化形成表面等离子振荡，而TE偏振光仅有水平方向的电场，故不可能产生表面等离子体波。因此目前的表面等离子体传感应用都是基于TM偏振光进行开展，TE模式的偏振光的潜力仍然未被挖掘利用。这偏振极化的限制降低了偏振极化的利用效率，阻碍了纳米光子学的应用。因此，开发一种全极化耦合模式解决偏振光的极化瓶颈非常有意义。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种支持全极化耦合模式的介质/金属复合结构及其应用。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种支持全极化耦合模式的样品，采用镀有金属膜的玻璃基底，将介质膜均匀附着在金属膜表面，自底向上依次包括玻璃基底、金属膜层以及介质膜层。金属膜的材质可以是金、银、铝、铂金等；介质膜要有良好的透光性，可以是PMMA、PVA等聚合物，碳化硅、氮化硅、二氧化硅等材料，也可以拓展至液态微流体结构。
一种支持全极化耦合模式的调控装置，包括输入光路、容置载体和检测机构；
所述输入光路包括可调偏振态和入射角度的平行白光光源；调节后的线偏振光入射至所述容置载体上；
所述容置载体包括所述样品、棱镜，其中将所述样品的玻璃基底一侧处于所述棱镜中；所述输入光路入射的偏振光照射至所述样品的玻璃基底上；
所述检测机构放置在反射光路上，检测反射谱。
一种支持全极化耦合模式的调控方法，采用所述调控装置，调控方法包括：
调节照射至所述样品上的入射光角度大于或等于全内反射的临界角，使金属膜表面产生消逝场；入射光的偏振角度可以调整为磁场为水平方向、电场为垂直方向的TM光，或者电场为水平方向、磁场为垂直方向的的TE光，这两种模式的光在发生全反射时耦合波什匹配的波长进入金属膜。入射TM光可以在金属膜表面产生表面等离子极化模式，入射TE光可以在金属膜中产生类表面极化的波导模式，各自都可以进一步泄漏到介质膜，在介质膜中相互干涉产生一种拥有比SPP更小半高宽的波，并支持多种高阶模式。
通过调节照射光入射角度至所述样品上，固定介质膜的厚度和折射率，TE光或TM光中波什匹配的波长的光可以与所述样品发生耦合，通过检测机构测试反射谱；耦合的光波长与入射角度相对应，通过测试反射谱实现对角度的灵敏检测。
通过调节介质膜的厚度，固定入射角度和介质膜的折射率，TE光或TM光中波什匹配的光可以与所述样品发生耦合，通过检测机构测试反射谱；耦合的光波长与介质膜厚度相对应，通过测试反射谱可以对介质膜厚度进行精准测量，也可以对介质膜的变化量进行精准测量。
通过调节介质膜的折射率，固定入射角度和介质膜的厚度，TE光或TM光中波什匹配的光可以与所述样品发生耦合，通过检测机构测试反射谱；耦合的光波长与介质膜折射率相对应，通过测试反射谱可以对介质膜折射率进行精准测量，也可以对介质膜折射率的变化量进行精准测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明设计了一种简单的结构和调控方法，打破了平面结构的表面极化仅能通过TM光激发的限制，同时支持TM光、TE光与金膜耦合并与介质膜相互作用，产生的表面波比SPP具有更小的半波宽的波，此为还支持各种高阶模式。这种物理现象可以精准测量材料的折射率、膜厚、入射光角度，并拓展出到很多的应用场景：窄带波峰拥有更好的单色性，发光颜色鲜明，调控折射率、膜厚、入射光角度这些物理量可以用于彩色显示；在机械压力、温度、电场等外部物理场作用下介质膜的折射率、膜厚度、入射光角度发生微弱变化时都可以检测出来，用以表征外部物理场的变化，实现超高灵敏的传感。此外依靠产生的颜色变化，可以实现可视化的快速检测。本申请的方案突破原有TM光才能产生表面极化波的限制，拓展至TE光，提高了偏振极化使用效率，并且得到比传统的表面等离子体波更窄的半高宽，测试方法简单，测试精度高，拥有广泛的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明支持全极化耦合模式的样品的结构示意图；
图2是本发明支持全极化耦合模式的调控装置的结构示意图；
图3是本发明实施中以TM光入射，固定入射角度和介质膜的折射率，改变介质膜厚度的反射谱仿真图；
图4是本发明实施中以TM光入射，固定入射角度和介质膜的厚度，改变介质膜折射率的反射谱仿真图；
图5是本发明实施中以TM光入射，固定介质膜的厚度和折射率，改变入射光角度的反射谱仿真图；
图6是本发明实施中以TE光入射，固定入射角度和介质膜的折射率，改变介质膜厚度的反射谱仿真图；
图7是本发明实施中以TE光入射，固定入射角度和介质膜的厚度，改变介质膜折射率的反射谱仿真图；
图8是本发明实施中以TE光入射，固定介质膜的厚度和折射率，改变入射光角度的反射谱仿真图。
附图标记说明：
1、玻璃基底；2、金属膜层；3、介质膜层；4、平行白光光源；5、检测机构；6、棱镜。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采用可以在市场上正常获取的商业软件FDTD Solutions 2018a进行仿真模拟。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种支持全极化耦合模式的样品，所述样品采用镀有金属膜的玻璃基底1，金属膜的材质选用银。介质膜均匀附着在银膜表面，介质膜材质选用氮化硅。自底向上的组成依次为玻璃基底1、金属膜层2(银膜)、介质膜层3(氮化硅)。
实施例2
请参阅图2，本发明提供一种支持全极化耦合模式的调控装置，包括输入光路、容置载体以及检测机构5。
所述输入光路包括可调偏振态和入射角度的平行白光光源4，选用Plane wave光源，波长范围300nm-800nm，调节光源的偏振参数和入射角度，并入射至所述容置载体上。
所述容置载体包括所述样品、棱镜6，其中将所述样品的玻璃基底1一侧处于所述棱镜6中；所述输入光路入射的偏振光照射至所述样品的玻璃基底1上。
所述检测机构5使用Frequency-domain field and power探测器，放置在反射光路上，检测反射谱。
实施例3
本发明提供一种支持全极化耦合模式的调控方法，采用所述调控装置，所述调控方法包括：
通过调节照射至所述容置载体上的光的偏振态为TM光或TE光，耦合波什匹配的光进入银膜，并进一步泄漏至氮化硅，氮化硅可以作为波导。
入射至所述容置载体中的偏振光的入射角为全内反射的临界角，以使得在所述玻璃基底与银膜界面产生消逝场。
当入射至所述容置载体中的偏振光为TM光时，在银膜表面产生的表面等离子波与氮化硅波导相互作用产生了一种表面等离子波导模式；当入射至所述容置载体中的偏振光为TE光时，在银膜内产生了电场为水平方向的驻波与氮化硅波导相互作用产生了一种类表面极化的波导模式。通过检测机构测试反射谱。
请参阅图3，调整入射光偏振态为TM光，入射角度为45°，氮化硅折射率保持不变，改变氮化硅厚度从0nm至250nm，从二维反射谱中明显观察到氮化硅厚度增加波谷发生红移，并出现多种高阶模式。其中一阶模式变化最大，从150nm-151nm厚度变化的反射谱可以看出厚度每增加0.1nm,峰位移动0.25nm。厚度为0nm时，样品结构只有玻璃基底和银膜，此时TM光入射就是通用的棱镜耦合法产生的表面等离子波，从二维图中明显看出半高宽远大于有氮化硅膜的样品。
请参阅图4，调整入射光偏振态为TM光，入射角度为45°，氮化硅厚度为150nm，改变氮化硅折射率从1-4，从二维反射谱中明显观察到氮化硅折射率增加波谷发生红移，并出现多种高阶模式。其中一阶模式变化最大，折射率从1.700-1.71变化的反射谱可以看出折射率每增加0.001,峰位移动0.26nm。
请参阅图5，调整入射光偏振态为TM光，氮化硅厚度为150nm，折射率保持不变，改变入射光角度从40°-60°，从二维反射谱中明显观察到入射角度增加至大于等于临界角后，出现波谷并发生蓝移。入射角度从45°-46°变化的反射谱可以看出入射角每增加0.1°,峰位移动1.9nm。
请参阅图6，调整入射光偏振态为TE光，入射角度为45°，氮化硅折射率保持不变，改变氮化硅厚度从0nm至250nm，从二维反射谱中明显观察到氮化硅厚度增加波谷发生红移，并出现多种高阶模式。其中一阶模式变化最大，从50nm-51nm厚度变化的反射谱可以看出厚度每增加0.1nm,峰位移动0.5nm。
请参阅图7，调整入射光偏振态为TE光，入射角度为45°，氮化硅厚度为100nm，改变氮化硅折射率从1-4，从二维反射谱中明显观察到氮化硅折射率增加波谷发生红移，并出现多种高阶模式。其中一阶模式变化最大，折射率从1.700-1.71变化的反射谱可以看出折射率每增加0.001,峰位移动0.5nm。
请参阅图8，调整入射光偏振态为TE光，氮化硅厚度为100nm，折射率保持不变，改变入射光角度从40°-60°，从二维反射谱中明显观察到入射角度增加至大于等于临界角后，出现波谷并发生蓝移。入射角度从45°-46°变化的反射谱可以看出入射角每增加0.1°,峰位移动2.3nm。
入射偏振光的TM、TE模式都可以激发样品产生相同的表面波现象，支持高阶模式，且TE模式的光产生的灵敏度更高。
本发明的实验装置可以直接使用已普遍使用的“棱镜耦合”设备，只需在输入光路上增加偏振调节装置即可，便于应用推广。
本发明设计了一种简单的结构和调控方法，打破了平面结构的表面极化仅能通过TM光激发的限制，同时支持TM光、TE光与金膜耦合并与介质膜相互作用，产生的表面波比SPP具有更小的半波宽的波，此为还支持各种高阶模式。这种物理现象可以精准测量材料的折射率、膜厚、入射光角度，并拓展出到很多的应用场景：窄带波峰拥有更好的单色性，发光颜色鲜明，调控折射率、膜厚、入射光角度这些物理量可以用于彩色显示；在机械压力、温度、电场等外部物理场作用下介质膜的折射率、膜厚度、入射光角度发生微弱变化时都可以检测出来，用以表征外部物理场的变化，实现超高灵敏的传感。此外依靠产生的颜色变化，可以实现可视化的快速检测。本申请的方案突破原有TM光才能产生表面极化波的限制，拓展至TE光，提高了偏振极化使用效率，并且得到比传统的表面等离子体波更窄的半高宽，测试方法简单，测试精度高，拥有广泛的应用场景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种支持全极化耦合模式的样品，其特征在于，自底向上依次包括玻璃基底、金属膜层以及介质膜层，玻璃基底上镀有金属膜形成金属膜层，介质膜均匀附着在金属膜表面形成介质膜层。
2.根据权利要求1所述的支持全极化耦合模式的样品，其特征在于，所述金属膜的材质为金、银、铝或铂金。
3.根据权利要求1所述的支持全极化耦合模式的样品，其特征在于，所述介质膜的材质为PMMA、PVA的聚合物，或者碳化硅、氮化硅、二氧化硅，或者拓展至液态微流体结构。
4.一种支持全极化耦合模式的调控装置，其特征在于，包括输入光路、容置载体和检测机构；
所述输入光路包括可调偏振态和入射角度的平行白光光源，调节光源的偏振参数和入射角度，并入射至所述容置载体上；
所述容置载体包括如权利要求1-3任一所述的样品和棱镜，其中将所述样品玻璃基底一侧处于所述棱镜中；所述输入光路入射的偏振光照射至所述样品的玻璃基底上；
所述检测机构放置在反射光路上，检测反射谱。
5.一种支持全极化耦合模式的调控方法，其特征在于，采用如权利要求4所述的调控装置，所述调控方法包括：
调节照射至所述样品上的入射光角度大于或等于全内反射的临界角，使金属膜表面产生消逝场；入射光的偏振角度调整为磁场为水平方向、电场为垂直方向的TM光，或者电场为水平方向、磁场为垂直方向的的TE光，这两种模式的光在发生全反射时耦合波什匹配的波长进入金属膜；入射TM光在金属膜表面产生表面等离子极化模式，入射TE光在金属膜中产生类表面极化的波导模式，各自都进一步泄漏到介质膜，在介质膜中相互干涉产生一种拥有比SPP更小半高宽的波，并支持多种高阶模式。
6.根据权利要求5所述的支持全极化耦合模式的调控方法，其特征在于，通过调节照射光入射角度至所述样品上，固定介质膜的厚度和折射率，TE光或TM光中波什匹配的波长的光与所述样品发生耦合，通过检测机构测试反射谱；耦合的光波长与入射角度相对应，通过测试反射谱实现对角度的灵敏检测。
7.根据权利要求5所述的支持全极化耦合模式的调控方法，其特征在于，通过调节介质膜的厚度，固定入射角度和介质膜的折射率，TE光或TM光中波什匹配的光与所述样品发生耦合，通过检测机构测试反射谱；耦合的光波长与介质膜厚度相对应，通过测试反射谱对介质膜厚度进行精准测量，或者对介质膜的变化量进行精准测量。
8.根据权利要求5所述的支持全极化耦合模式的调控方法，其特征在于，通过调节介质膜的折射率，固定入射角度和介质膜的厚度，TE光或TM光中波什匹配的光与所述样品发生耦合，通过检测机构测试反射谱；耦合的光波长与介质膜折射率相对应，通过测试反射谱对介质膜折射率进行精准测量，或者对介质膜折射率的变化量进行精准测量。
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