CN112946878B - 一种基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法 - Google Patents

一种基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种产生宽带横向单向散射的纳米光学方法，属于新型纳米光学技术领域。本发明基于聚焦径向偏振光与硅中空纳米碟的相互作用，通过调节纳米碟的内、外环半径、高度这三个结构参数以及纳米碟在焦平面上的横向位移量，使得总电偶极矩的轴向分量和磁偶极矩的横向分量满足同位相和振幅相等的Kerker条件，实现宽带横向单向散射。本发明提出的横向单向散射方法具有：1)宽带响应特性；2)主动调控优势。

Description

一种基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法
技术领域
本发明涉及纳米光学技术领域，尤其是针对能实现宽带横向单向散射的纳米光学方法。
背景技术
纳米结构通过物质的尺寸限制引发光与物质在纳米尺度上的相互作用，能实现纳米量级范围内的光场局域和光操控，从而呈现出诸多奇异的光电特性，有助于设计出传统原理和技术所无法实现和媲美的新型光子学器件。随着纳米光学技术的不断发展和成熟，纳米结构在很多领域已得到广泛的应用，如生物传感，粒子捕获以及荧光标记等。与等离子体金属纳米结构相比，高折射率介电纳米结构在可见光和近红外光波段具有非常低的损失，克服了金属材料的损耗问题，因此，对于要求满足低能量损耗的光子学器件有着重要的研究意义和应用价值[1]。
高折射率介电纳米结构可以同时支持光学波段的电场和磁场响应，使其呈现出各向异性散射特性，能够使得电磁波辐射沿某一特定或指定方向传播[2]。其中，纳米结构垂直于光场传播方向的定向散射，即横向单向散射在纳米集成光学、传感、光学成像、量子调控等领域具有非常重要的应用价值，可以提高集成光学中波导的定向耦合效率，实现精度高达亚
Figure BSA0000197172070000011
量级的高分辨率横向位移测量，还可以被设计成纳米级光开关等器件。为此，研究人员提出了多种能实现高折射率介电纳米结构横向散射的技术和方法。例如，在平面光场入射下，利用高折射率介电纳米结构的电偶极与电四极之间的相互作用[3]，或者基于纳米结构的非对称结构特性产生轴向电偶极分量[4]，从而产生横向散射。还可以利用聚焦光场的聚焦特性，在纳米球[5]、核壳纳米结构[6]、二聚体[7]、纳米线[8]等结构中，激发出轴向的电偶极或磁偶极分量，与横向偶极分量、四极矩等相互作用，在满足横向Kerker条件的情况下产生横向散射。不过，目前已有的技术和方法通常只能在几个特定波长下实现横向单向散射，而很多实际应用迫切需要能工作在宽带条件下的横向单向散射。
高折射率介电纳米球是常见的实现横向单向散射的纳米结构，不过，纳米球只有半径这样一个可调结构参数，一般表现为窄带响应特性。中空纳米碟有内、外环半径以及高度这样三个可调结构参数，更多的调控自由度使其具有宽带响应特性。硅是较为常见的高折射率介电材料，价格经济，并且有成熟的半导体加工工艺作为技术支撑。径向偏振光是一种非均匀偏振光，其电矢量方向，即偏振方向始终沿着径向，并在光束横截面上表现为轴对称分布。在利用显微物镜进行紧聚焦后，径向偏振光将产生很强的轴向电场分量，与物质相互作用后，可以为光场调控提供更多的自由度。目前，已先后提出很多产生径向偏振光的方法和技术，其中一部分已有相应的商业化产品。为此，本发明提出利用聚焦径向偏振光与硅中空纳米碟的相互作用，在宽带的条件下实现横向单向散射的方法。
参考文献：
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Figure BSA0000197172070000021
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发明内容
针对宽带横向单向散射的迫切需求，本发明基于聚焦径向偏振光与硅中空纳米碟的相互作用，通过合理设计硅中空纳米碟的结构参数，改变纳米碟偏离焦点的横向位移量，对总电偶极矩轴向分量和磁偶极矩横向分量之间的位相差和振幅比进行调控，当满足横向Kerker条件时，将产生宽带横向单向散射。本发明的技术方案如下：
一种基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法，包括下列步骤：
1)一束径向偏振光(1)经过显微物镜(2)后产生聚焦光场，在焦平面上放置一个硅中空纳米碟(3)，并使得该纳米结构处于偏离焦点的位置处；
2)设计硅中空纳米碟的内、外环半径以及高度，使得总电偶极矩的轴向分量和磁偶极矩的横向分量满足同位相的条件；
第一步，利用Richard-Wolf衍射积分计算聚焦径向偏振光的电场和磁场；
第二步，将该电场和磁场导入时域有限差分算法，计算硅中空纳米碟的近场电磁场分布；
第三步，基于该近场电磁场分布，采用多极矩展开法计算总电偶极矩、磁偶极矩、电四极矩和磁四极矩，并分析这些极矩在纳米碟远场散射中的相对贡献；
第四步，反复调节硅中空纳米碟的内、外环半径以及高度这三个结构参数，使得总电偶极矩和磁偶极矩的贡献在散射光谱中起主要作用，而电四极矩和磁四极矩的贡献可以忽略；与此同时，在至少大于100nm的宽带范围内，总电偶极矩的轴向分量和磁偶极矩的横向分量之间的位相差接近为零，即满足了同位相的条件；
3)调节硅中空纳米碟偏离焦点的横向位移量，增大横向磁偶极矩横向分量相对于总电偶极矩轴向分量的振幅比值，对于满足同位相条件的宽带波段范围内的任意一入射波长，找到使得总电偶极矩轴向分量和磁偶极矩横向分量振幅相等所对应的横向位置；
4)当总电偶极矩和磁偶极矩满足同位相以及振幅相等，即横向Kerker条件时，用聚焦径向偏振光激发硅中空纳米碟将产生宽带横向单向散射。
本发明的有益效果：
(1)可以在至少大于100nm的宽带范围内，实现横向单向散射；
(2)硅中空纳米结构加工完成后，无需改变结构参数，只要改变纳米碟在焦平面上的横向位置，即可在不同波长下实现横向单向散射，具有主动调控、灵活便捷的优势；
附图说明
图1本发明实施例涉及的光路图
图2本发明实施例硅中空纳米碟的结构图
(a)三维立体结构图 (b)二维横截面图
图3本发明实施例聚焦光场各分量在焦平面上的强度分布
(a)电场纵向分量 (b)电场横向分量 (c)磁场横向分量
图4本发明实施例硅中空纳米碟中心在x轴不同位置时的多极矩展开
(a)x＝0nm (b)x＝220nm
图5本发明实施例硅中空纳米碟内部激发的Dz与my之间的位相差与振幅比
(a)位相差 (b)振幅比
图6本发明实施例不同波长下横向单向散射在xz平面内的二维远场分布
(a)波长1029nm且x＝220nm (b)波长1007nm且x＝250nm
(c)波长985nm且x＝280nm (d)波长955nm且x＝315nm
(e)波长918nm且x＝340nm (f)波长875nm且x＝355nm
图中有：径向偏振光1，显微物镜2，硅中空纳米碟3
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步说明。
1)利用聚焦径向偏振光激发硅中空纳米碟，如图1所示，一束沿z方向传播的径向偏振光(1)经过一个显微物镜(2)后产生聚焦光场，物镜的数值孔径NA为0.86，一个硅中空纳米碟(3)放置在焦点区域，硅中空纳米碟的结构如图2所示，Rin和Rout分别为内、外环半径，H为厚度。
2)调节硅中空纳米碟的内、外环半径以及高度，使得总电偶极矩轴向分量和磁偶极矩横向分量满足同位相的条件。
第一步，利用Richard-Wolf衍射积分计算聚焦光场，如图3所示，聚焦光场呈现非均匀分布的特性，电场轴向分量的分布表现为极大值位于焦点的旋转对称亮斑，电场横向分量则呈现为中空圆环分布，在焦点处的取值为零，而磁场只有横向分量，也为中空圆环状分布。
第二步，设置硅中空纳米碟的结构参数分别为Rout＝140nm，Rin＝30nm，H＝250nm。在聚焦径向偏振光激发下，利用时域有限差分算法FDTD计算硅中空纳米碟的近场电磁场和远场散射。
第三步，基于硅中空纳米碟内部的电磁场，采用多极矩展开法计算总电偶极矩(TED)、磁偶极矩(MD)、电四极矩(EQ)和磁四极矩(MQ)对远场散射的相对贡献，其中，TED是电偶极矩(ED)和环形偶极矩(TD)相互干涉之后的结果。如图4(a)所示，当硅中空纳米碟中心位于焦点时，即x＝0nm，在800nm-1200nm的波长范围内，只能激发出TED，其共振峰在835nm处，其它极距的贡献几乎为零；当硅中空纳米碟偏离焦点位置，位于x轴上220nm位置处时，如图4(b)所示，可以激发出TED和MD，共振峰分别位于波长835nm和1060nm处，电四极距EQ和磁四极距MQ的贡献依然几乎为零。只考虑总电偶极矩TED和磁偶极矩MD贡献的散射光谱与FDTD计算的结果也非常一致，仅在短波方向存在一定差异，这些结果说明TED和MD的相互作用足以用来分析硅中空纳米碟的散射特性。
第四步，根据图3所示聚焦光场的非均匀分布特性，当硅中空纳米碟沿x轴方向移动时，总电偶极矩TED存在分量Dz和Dx，而磁偶极子MD只有分量my。沿+x和-x方向的散射电场可以分别表示为：
Figure BSA0000197172070000051
Figure BSA0000197172070000052
其中，θ和
Figure BSA0000197172070000053
分别是远场观测点的极角和方位角(如图1所示)，k0、ε0和c分别是真空下的波数、介电常数和光速，而r则是远场观测距离。公式(1)说明，当Dz＝my/c时，两者的位相差arg(my)-arg(cDz)＝0，即同位相，且振幅比|my|/|cDz|＝1时，沿+x方向的散射电场
Figure BSA0000197172070000054
将会产生沿-x方向横向单向散射；当Dz＝-my/c时，位相差arg(my)-arg(cDz)＝180°，即反位相，且振幅比|my|/|cDz|＝1时，沿-x方向的散射电场
Figure BSA0000197172070000055
将会产生沿+x方向横向单向散射。如图5(a)所示，当硅中空纳米碟偏离焦点时，总电偶极矩轴向分量Dz和磁偶极矩横向分量my的相位差，在860nm至1030nm的波长范围内相位差小于7°，在这一波段范围内，这两个分量可以认为满足同位相的条件，该波段的带宽为170nm，远大于100nm的设计要求。
3)调节硅中空纳米碟偏离焦点的横向位移量，使得总电偶极矩轴向分量和磁偶极矩横向分量满足振幅相等的要求。图5(b)给出了硅中空纳米碟沿+x轴方向移动时，振幅比|my|/|cDz|在不同波长下的取值，显然，随着偏离焦点距离的增大，振幅比|my|/|cDz|也随之增大，不同波长下均存在特定位置使得振幅比为1。例如，当波长分别为1029nm，1007nm，985nm，955nm，918nm和875nm，硅中空纳米碟分别位于x＝220nm，250nm，280nm，315nm，340nm，355nm位置处时，振幅比|my|/|cDz|取值为1。
4)总电偶极矩轴向分量和磁偶极矩横向分量振幅相等且同位相，即满足横向Kerker条件，将产生横向单向散射。图6给出了波长分别为1029nm，1007nm，985nm，955nm，918nm和875nm，且硅中空纳米碟分别位于x＝220nm，250nm，280nm，315nm，340nm，355nm位置处时，沿-x方向的横向单向散射在xz平面内的二维分布。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法，包括下列步骤：
1)一束径向偏振光(1)经过显微物镜(2)后产生聚焦光场，在焦平面上放置一个硅中空纳米碟(3)，并使得该纳米结构处于偏离焦点的位置处；
2)设计硅中空纳米碟的内、外环半径以及高度，使得总电偶极矩的轴向分量和磁偶极矩的横向分量满足同位相的条件；
第一步，利用Richard-Wolf衍射积分计算聚焦径向偏振光的电场和磁场；
第二步，将该电场和磁场导入时域有限差分算法，计算硅中空纳米碟的近场电磁场分布；
第三步，基于该近场电磁场分布，采用多极矩展开法计算总电偶极矩、磁偶极矩、电四极矩和磁四极矩，并分析这些极矩在纳米碟远场散射中的相对贡献；
第四步，反复调节硅中空纳米碟的内、外环半径以及高度这三个结构参数，使得总电偶极矩和磁偶极矩的贡献在散射光谱中起主要作用，而电四极矩和磁四极矩的贡献可以忽略；与此同时，在至少100nm的宽带范围内，总电偶极矩的轴向分量和磁偶极矩的横向分量之间的位相差接近为零，即满足了同位相的条件；
3)调节硅中空纳米碟偏离焦点的横向位移量，增大横向磁偶极矩横向分量相对于总电偶极矩轴向分量的振幅比值，对于满足同位相条件的宽带波段范围内的任意一入射波长，找到使得总电偶极矩轴向分量和磁偶极矩横向分量振幅相等所对应的横向位置；
4)当总电偶极矩和磁偶极矩满足同位相以及振幅相等，即横向Kerker条件时，用聚焦径向偏振光激发硅中空纳米碟将产生宽带横向单向散射。
2.根据权利要求1所述的基于硅中空纳米碟的宽带横向单向散射实现方法，其特征在于：光源是激光光源或普通光源。
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