CN114047567B

CN114047567B - 一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法

Info

Publication number: CN114047567B
Application number: CN202110691617.2A
Authority: CN
Inventors: 王依霈; 伍晓芹
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2041-06-22
Also published as: CN114047567A

Abstract

本发明公开一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，步骤为：1)选取金属纳米线作为法布里‑波罗谐振腔；布置类偶极子。2)布置照射金属纳米线和类偶极子的激发光场；3)激发奇宇称模式和偶宇称模式；4)所述金属纳米线利用奇宇称模式和偶宇称模式之间的干涉，产生非对称表面等离激元模式；5)调节奇宇称模式、偶宇称模式的相对幅值关系、相对相位关系，实现对非对称表面等离激元模式的调控。本发明产生的表面等离激元谐振模式，具有强近场单向性、高消光比、大范围的动态可调谐性以及调谐手段灵活等特点，在纳米耦合器、纳米分束器以及高性能传感等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，具体是一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法。

背景技术

表面等离激元谐振腔能够实现深亚波长尺度的能量局域并伴有强烈的近场增强。通过对表面等离激元谐振腔中模式的调控，能够在纳米尺度上对强约束的光场进行操控以及在分子乃至原子的尺度上控制光与物质的相互作用。其中，利用表面等离激元调控产生的非对称模式，具备许多新颖的性质，在诸如纳米耦合器、纳米路由器、纳米电机、超灵敏纳米传感器以及纳米激光器等器件方面有着广泛的应用潜力与发展前景。目前，国际上实现非对称表面等离激元谐振腔模的方法，主要包括在几何结构上引入非对称性，在材料组分中引入非对称性以及利用法诺共振或者电磁诱导透明等。然而以上的方法，往往需要依赖复杂的耦合系统，通常包涵多个表面等离激元共振单元，对于结构的制备和加工提出了极高的要求。特别是对于那些依赖几何非对称性的结构而言，大面积的加工很难保证其精度，不利于低成本、大面积的纳米光子器件片上集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，包括以下步骤：

1)选取金属纳米线作为法布里-波罗谐振腔。

布置类偶极子，令类偶极子的偶极矩方向与金属纳米线的长轴方向相互垂直。

类偶极子用于与金属纳米线耦合，实现对称性破缺。

2)布置照射金属纳米线和类偶极子的激发光场。所述激发光场包括相互垂直的偏振分量。

所述激发光场中的激发光包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。

3)所述激发光场中与金属纳米线长轴方向平行的偏振分量，通过金属纳米线的两个端面，激发起奇宇称模式。

所述激发光场中与金属纳米线长轴方向垂直的偏振分量激发类偶极子，令类偶极子与金属纳米线发生耦合，从而激发起偶宇称模式。

在奇宇称模式下，金属纳米线的电场分布具有sin(βz)·e^-iωt的形式。β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率。t是时间。z是坐标。

在偶宇称模式下，金属纳米线的电场分布具有的形式。β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率。t是时间。z是坐标。/>是奇宇称与偶宇称模式间的相位差。

宇称表示横向电场分量相对于z＝0平面的对称性。奇宇称表示横向电场分量关于z＝0平面奇对称。偶宇称表示横向电场分量关于z＝0平面偶对称。

4)所述金属纳米线利用奇宇称模式和偶宇称模式之间的干涉，产生非对称表面等离激元模式。

若奇宇称模式、偶宇称模式的相位相同、幅值相同或相近，则在z>0方向产生相长干涉，在z<0方向产生相消干涉，从而产生前向的非对称表面等离激元模式。幅值相近指奇宇称模式、偶宇称模式的幅值之差小于预设阈值ε。

当奇宇称模式、偶宇称模式的相位相反、幅值相同或相近，则在z<0方向产生相长干涉，在z>0方向产生相消干涉，从而产生反向的表面等离激元模式。

5)调节奇宇称模式、偶宇称模式的相对幅值关系、相对相位关系，实现对非对称表面等离激元模式的调控。

非对称表面等离激元模式单向性通过消光比ER表征。消光比ER如下所示：

ER＝10log₁₀(I_+z/I_-z) (1)

式中，I_+z表示从纳米线正向端头收集到的电场强度，I_-z表示从纳米线反向端头收集到的电场强度。

实现对非对称表面等离激元模式调控的方法包括以下几种：

I)调节激发光场偏振分量的振幅比。

II)调节激发光场偏振分量的相位差。

III)调节激发光场中激发光的波长、腔模的阶数。

IV)调节金属纳米线与类偶极子的几何结构与相对位置。

V)调节环境折射率。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供了一种在深亚波长约束下，非对称表面等离激元模式产生与调控的方法。该方法基于金属纳米线谐振腔结构，在不引入非对称的几何结构与材料组分的情况下，利用具有不同宇称模式的叠加，实现金属纳米线中全光可调谐的非对称的表面等离激元模式。利用激发光场幅值、相位以及自旋的调节，可以在可见-近红外波段实现消光比-23dB至23dB大范围的全光调控。该方法应用场景包括深亚波长全光回路中的定向耦合器、可调谐分束器以及高性能传感等。本发明具有结构简单、单向性强、消光比高、易于调谐等特点。

本发明提出一种在不引入非对称的几何结构与材料组分的情况下，实现非对称表面等离激元模式并对其调控。该方法基于单根金属纳米线法布里-波罗谐振腔，通过该方法产生的表面等离激元谐振模式，具有强近场单向性、高消光比、大范围的动态可调谐性以及调谐手段灵活等特点，在纳米耦合器、纳米分束器以及高性能传感等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为结构说明图。

图2为方法原理示意图，非对称模式的实现来源于奇、偶两种宇称模式的干涉叠加；图2(a)为奇宇称模式；图2(b)为偶宇称模式；图2(c)为非对称模式；

图3为正向非对称模式产生的实施例；图3(a)为非对称模式的模场分布；图3(b)为消光比与波长的关系；

图4为反向非对称模式产生的实施例；图4(a)为非对称模式的模场分布；图4(b)为消光比与波长的关系；

图5为通过改变激发光的幅值比对非对称模式进行调控的实施例；

图6为通过改变激发光的相位差对非对称模式进行调控的实施例；

图7为通过改变环境折射率对非对称模式进行调控的实施例；实线：环境折射率n＝1；虚线：环境折射率n＝1.05；点线：环境折射率n＝1.1。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图4，一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，包括以下步骤：

1)选取金属纳米线作为法布里-波罗谐振腔。

类偶极子用于与金属纳米线耦合，实现对称性破缺。

2)布置照射金属纳米线和类偶极子的激发光场。所述激发光场包括相互垂直的偏振分量，分别记为偏振分量E_y、偏振分量E_z。

在奇宇称模式下，金属纳米线的电场分布具sin(βz)·e^-iωt的形式。β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率。t是时间。z是坐标。

在偶宇称模式下，金属纳米线的电场分布具有的形式。β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率。t是时间。z是z轴上的坐标值。/>是奇宇称与偶宇称模式间的相位差。

若奇宇称模式、偶宇称模式的幅值相同或相近，且相位相同，则在z>0方向产生相长干涉，在z<0方向产生相消干涉，从而产生前向的非对称表面等离激元模式。幅值相近指奇宇称模式、偶宇称模式的幅值之差小于预设阈值ε。ε>0，且为一个极小的数(本实施例设定ε<1)。

若奇宇称模式、偶宇称模式的幅值相同或相近，且相位相反，则在z<0方向产生相长干涉，在z>0方向产生相消干涉，从而产生反向的表面等离激元模式。

ER＝10log₁₀(I_+z/I_-z) (1)

实现对非对称表面等离激元模式调控的方法包括以下几种：

I)调节激发光场偏振分量的振幅比。

II)调节激发光场偏振分量的相位差。

III)调节激发光场中激发光的波长、腔模的阶数。

IV)调节金属纳米线与类偶极子的几何结构与相对位置；

V)调节环境折射率。

实施例2：

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，包括以下步骤：

1)搭建结构，包括一根金属纳米线，一个类偶极子辐射体，类偶极子的偶极矩方向与金属纳米线的长轴方向相互垂直，如图1所示。其中，金属纳米线的作用是作为法布里-波罗谐振腔支持表面等离激元谐振模式，而类偶极子的作用是通过与金属纳米线的耦合，实现对称性破缺。整个结构的激发光场具有两个相互垂直且具有一定相位关系的偏振分量(这里为了方便说明，用E_y与E_z来表示)，从而可以分别与金属纳米线与类偶极子发生相互作用，其种类包括但不限于线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光。

2)产生非对称模式：依靠具有奇、偶两种不同宇称的腔模之间的干涉。在这里，宇称是指横向电场分量相对于z＝0平面的对称性，即奇宇称指关于z＝0平面奇对称，而偶宇称是指关于z＝0平面偶对称，如图2所示，具体实现的原理如下：

激发光场中与纳米线长轴方向平行的偏振分量，可以通过纳米线的两个端面，激发起纳米线谐振腔中的奇宇称模式，其电场分布具有sin(βz)·e^-iωt的形式，如图2(a)所示。其中β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率。

激发光场中与纳米线长轴方向垂直的偏振分量，可以通过激发类偶极子，并利用类偶极子与金属纳米线的耦合，激发起纳米线谐振腔中的偶宇称模式，其电场分布具有的形式，其中/>是奇宇称与偶宇称模式间的相位差，如图2(b)所示。

如果奇、偶宇称的模式幅值相同或相近，且相位相同则会在z>0方向产生相长干涉，以及z<0方向产生相消干涉，从而产生前向的非对称模式，如图2(c)所示。相反地，如果奇、偶宇称的模式相位相反/>则会在z<0方向产生相长干涉，以及z>0方向产生相消干涉，从而产生反向的非对称模式。

3)通过调节奇、偶宇称模式的相对幅值关系与相对相位关系，可以有效的对该非对称模式进行调控。其实现的方法包括但不限于调节激发光两偏振分量的振幅比与相位差，调节激发光的波长以及腔模的阶数，调节纳米线与纳米棒的几何结构与相对位置，调节环境折射率。

利用本发明方法，可以得到消光比可调的纳米耦合器。

实施例3：

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，主要步骤见实施例2，其中，金属纳米线选择直径为40nm，长度为520-1010nm的金纳米线，类偶极子选择直径40nm，长度为105nm的金纳米棒。上述结构可以通过以下两种方法进行制备：(1)通过超声辅助晶种法以及晶种生长法，分别合成金纳米线与金纳米棒，再在显微镜下通过微纳操作，将金纳米线与金纳米棒进行组装。(2)通过纳米电子束光刻技术直接进行加工制备。

实施例4：

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，主要步骤见实施例2，为了方便定量的描述，非对称模式的单向性可用消光比ER来表征，其定义：

ER＝10log₁₀(I_+z/I_-z) (1)

其中，I_+z表示从纳米线正向端头收集到的电场强度，I_-z表示从纳米线反向端头收集到的电场强度。

实施例5：

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，主要步骤见实施例2，其中，正向非对称模式产生的过程如下：

金纳米线的长度为520nm，金纳米线与金纳米棒的耦合间距为2nm，激发光场为右旋圆偏振光。基于提出的非对称模式产生的方法，可以在波长740nm处，得到具有正单向性的非对称模式，从而实现消光比为19.5dB的纳米定向耦合器，其模场分布以及消光比如图3所示。

实施例6：

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，主要步骤见实施例2，其中，反向非对称模式产生的过程如下：

金纳米线的长度为1000nm，金纳米线与金纳米棒的耦合间距为2nm，激发光场为右旋圆偏振光。基于提出的非对称模式产生的方法，可以在波长960nm处，产生具有负单向性的非对称模式，从而实现消光比为-19dB的纳米定向耦合器，其模场分布以及消光比如图4所示。

实施例7：

一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，主要步骤见实施例2，其中非对称模式调控过程如下：

通过改变激发光场的幅值比(|E_y|/|E_z|)，可以对非对称模式的消光比以及波长进行有效的调控。在该实施例中，金纳米线的长度为800nm，耦合间距为2nm，激发光为右旋圆偏光，如图5所示。当激发光场的幅值比从0.1变化至2.0时，其消光比在-2dB至-11dB区间内变化。当激发光场的幅值比为0.69时，可以达到最大消光比-10.5dB。

实施例8：

通过改变激发光场中E_y与E_z分量间的相位差，可以对非对称模式的消光比进行有效的调控。在该实施例中，金纳米线的长度为800nm，耦合间距为2nm，激发光的幅值比为0.69，如图6所示。当激发光场的相位差从-180度变化至180度时，其消光比在-23dB至23dB的区间内变化。当激发光场的相位差为120度和-60度时，可以获得最大消光比±23dB。特别地，通过左旋圆偏光与右旋圆偏光的切换(相位差从90度切换至-90度)，可以有效的实现非对称窗口的反转，从而具有实现超快的全光调制的潜力。

实施例9：

通过改变环境折射率，可以对非对称模式最大消光比的波长进行有效的调控。在该实施例中，金纳米线的长度为1010nm，耦合间距为2nm，激发光为左旋圆偏光，如图7所示。随着环境折射率的增大，其最大消光比波长向长波方向红移，其折射率灵敏度高达550nm/RIU，可作为高性能的表面等离激元传感。

Claims

1.一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取金属纳米线作为法布里-波罗谐振腔；

布置类偶极子，令类偶极子的偶极矩方向与金属纳米线的长轴方向相互垂直；

2)布置照射金属纳米线和类偶极子的激发光场；所述激发光场包括相互垂直的偏振分量；

3)所述激发光场中与金属纳米线长轴方向平行的偏振分量，通过金属纳米线的两个端面，激发起奇宇称模式；

所述激发光场中与金属纳米线长轴方向垂直的偏振分量激发类偶极子，令类偶极子与金属纳米线发生耦合，从而激发起偶宇称模式；

4)所述金属纳米线利用奇宇称模式和偶宇称模式之间的干涉，产生非对称表面等离激元模式；

5)调节奇宇称模式、偶宇称模式的相对幅值关系、相对相位关系，实现对非对称表面等离激元模式的调控；

在奇宇称模式下，金属纳米线的电场分布具有sin(βz)·e^-iωt的形式；β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率；t是时间；z是坐标；

在偶宇称模式下，金属纳米线的电场分布具有的形式；β是纳米线中导模的传播常数，ω是激发光的角频率；t是时间；z是坐标；/>是奇宇称与偶宇称模式间的相位差；

宇称表示横向电场分量相对于z＝0平面的对称性；奇宇称表示横向电场分量关于z＝0平面奇对称；偶宇称表示横向电场分量关于z＝0平面偶对称。

2.根据权利要求1所述的一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于：所述激发光场中的激发光包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。

3.根据权利要求1所述的一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于：若奇宇称模式、偶宇称模式的相位相同、幅值相同或相近，则在z>0方向产生相长干涉，在z<0方向产生相消干涉，从而产生前向的非对称表面等离激元模式；幅值相近指奇宇称模式、偶宇称模式的幅值之差小于预设阈值ε。

4.根据权利要求1所述的一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于：若奇宇称模式、偶宇称模式的相位相反、幅值相同或相近，则在z<0方向产生相长干涉，在z>0方向产生相消干涉，从而产生反向的表面等离激元模式；幅值相近指奇宇称模式、偶宇称模式的幅值之差小于预设阈值ε。

5.根据权利要求1所述的一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于：非对称表面等离激元模式单向性通过消光比ER表征；消光比ER如下所示：

ER＝10log₁₀(I_+z/I_-z) (1)

6.根据权利要求1所述的一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于：实现对非对称表面等离激元模式调控的方法包括以下几种：

I)调节激发光场偏振分量的振幅比；

II)调节激发光场偏振分量的相位差；

III)调节激发光场中激发光的波长、腔模的阶数；

IV)调节金属纳米线与类偶极子的几何结构与相对位置；

V)调节环境折射率。

7.根据权利要求1所述的一种非对称表面等离激元模式产生与调控的方法，其特征在于：类偶极子用于与金属纳米线耦合，实现对称性破缺。