CN204882920U - 内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，金属膜有排列成为孔阵列的贯通金属膜的多个相同的圆孔，孔内介质为空气，单位周期的长宽相等。平面光由上或下垂直入射。每个孔中均嵌有一个金属圆柱，金属圆柱的直径小于孔径，二者有间隙，较佳为二者中心线重合。圆柱高度小于或等于孔的高度，圆柱的顶面和底面均不超出金属膜的上、下表面，较佳为柱顶面与膜的上表面相平齐。当圆柱的高度小于孔高度，下方加调整位置的介质衬垫。介质衬垫与金属圆柱直径相同的介质圆柱，且与金属圆柱中心线重合。本新型与现有孔阵列等离激元滤波器相比，光透射率增强，调节金属圆柱的材质、位置、半径、高度结构参数，可选择透射峰的位置。

Description

内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器

技术领域

本实用新型涉及微纳光子技术领域，具体为一种内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器。

背景技术

当光入射到具有亚波长周期孔洞阵列的金属薄膜表面时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径理论的限制，这种现象被称为光学异常透射(ExtraordinaryOpticalTransmission,EOT)特性。自1998年Ebbesen等人阐述这种现象以来，关于此方面的研究得到了广泛的关注，并在很多方面得到了重要的应用。同时，研究人员发现通过改变孔阵列结构周期、金膜厚度、孔洞形状、金属材料、光入射角度等参数，可以有效调节透射峰的位置，影响透射率的大小。这些在光学滤波器、新型光源、生物传感和光学存储等方面都具有及其广阔的应用前景。

关于光学异常透射EOT现象的机理解释，被认为是表面等离激元(SPP)与入射光波的耦合效应。表面等离激元是一种特殊的电磁波，是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播，在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，故也被称为传导型表面等离激元。在表面非常粗糙的金属膜或形成曲面结构的金属(如球体、柱体等)周围，其表面等离激元不能以波的形式沿界面传播，而是被局域在这些结构的表面附近，被称为局域表面等离激元(LSP)。随着纳米科学的进步，表面等离激元已经发展成为了一门新兴的学科，并在生物、化学、信息、能源等领域得到了广泛的应用。

近年，关于对光学异常透射EOT效应的研究层出不穷。科研工作者们纷纷通过优化亚波长孔阵列周期结构的各项参数，提高光透射的性能。例如，2011年BeermannJ等人使用内嵌薄膜夹缝结构，2013年BaiM等人提出了多层薄膜结构，均对光学异常透射EOT特性的研究具有重要的参考意义。

随着科学技术的不断发展，滤波器作为一种去除噪声干扰的载体，在通信、医疗、军事、自动控制等领域有着广泛的应用。但传统的滤波器由于受体积、稳定性等条件的限制，不能很好的适应光电子技术发展的需要。而表面等离激元光学滤波器因其体积小、功耗低、可靠性高等一系列的优点，引起了越来越多人的注意。科研人员纷纷对此进行了广泛的研究，例如像齿状的纳米等离子体波导滤波器，基于长程等离子体的滤波器，以及圆盘形带通滤波器。它们进一步减小了器件尺寸，在纳米尺度上进行操作，所以基于金属表面等离激元的滤波器成为现在社会一个新的选择。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，在原有的孔阵列周期结构的等离激元滤波器的基础上，在孔中嵌入金属圆柱，提高透射率，且通过调节金属圆柱的位置、直径和高度，可调节其透射光谱。

本实用新型设计的一种内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，包括介质基底及其附着于其表面的金属膜，金属膜有排列成为孔阵列的贯通金属膜的多个相同的圆孔，孔内的填充介质为空气，金属膜孔阵列单位周期的长与宽相等，圆孔中心线即为所处周期金属膜的中心线。平面光由介质基底的底面垂直向上入射，在金属膜上表面透射光出射；或者平面光由金属膜上表面垂直向下入射，在介质基底的底面透射光出射。每个孔中均嵌有一个金属圆柱，金属圆柱的直径小于孔径，金属圆柱与孔壁之间有间隙。较佳方案为金属圆柱的中心线与所嵌孔的中心线重合，金属圆柱的高度小于或等于孔的高度，或者说金属圆柱的高度小于或等于金属膜的厚度，金属圆柱的顶面和底面均不超出金属膜的上、下表面，较佳方案为所述金属圆柱的顶面与金属膜的上表面相平齐。当金属圆柱的高度小于孔的高度，金属圆柱下方加调整金属圆柱位置的介质衬垫。

所述金属圆柱与所嵌孔的孔壁之间的间隙20nm～40nm。

金属膜孔阵列单位周期的长与宽为300～500nm，在长或宽方向至少为50个周期。

金属膜厚度为50～150nm。

所述孔的孔径为100～300nm。

所述介质衬垫为与金属圆柱直径相同的介质圆柱，且介质圆柱与金属圆柱中心线重合。

所述金属膜为金膜，金属圆柱为金、银、铜中的任一种，最佳材料为金。

所述介质基底为硅(Si)或二氧化硅(SiO₂)，二氧化硅(SiO₂)效果较佳。

所述介质衬垫为硅(Si)或二氧化硅(SiO₂)，介质衬垫与基底的材质相同或不同。二氧化硅(SiO₂)效果较佳。

本实用新型内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器在平面光由介质基底底面垂直向上入射时，金属膜表面激发的表面等离激元通过隧道效应穿越到圆孔的另一面，与孔中的金属圆柱产生的局域表面等离激元发生共振耦合，形成一个强大的局域电磁场，大大增强了光的透射。局域电磁场对金属相邻的介质材料非常敏感,导致靠近介质基底的圆柱会对透射起到一定阻碍作用；无介质基底的情况下，根据传输线理论，不同位置的金属圆柱所带来的等效负载阻抗值是不同的。当金属圆柱的中心线与孔的中心线重合时，负载阻抗等于传输线的特征阻抗，满足阻抗的匹配条件，输出功率最大，线上损耗最小，透射能量最大。当金属圆柱与所嵌孔的孔壁之间的间隙小于20nm，金属圆柱大大占用了孔洞的有效面积，影响光进入圆孔中，金属圆柱的阻碍效应大于局域表面等离激元所产生的作用，光的透射会出现减弱。

与现有孔阵列周期结构的等离激元滤波器相比，本实用新型内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器的优点为：1、利用表面等离激元SPP与局域表面等离激元LSP的共振耦合作用，得到增强光透射的等离激元滤波器；2、通过调节金属圆柱的材质、位置、半径、高度等结构参数，使等离激元滤波器获得可选择透射峰的位置、且高透射率的近红外光谱。

附图说明

图1为本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例三维立体示意图；

图2为本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例单位周期结构示意图；

图3为本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例与无内嵌圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器对比例的透射光谱图。

图4为本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例不同位置的金属圆柱的透射光谱图。

图5为本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例不同高度的金属圆柱的透射光谱图。

图6为本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例不同半径的金属圆柱的透射光谱图。

图中标号为：

1、金属膜，2、圆孔，3、金属圆柱，4、介质基底，5、介质衬垫。

H、金属膜的厚度，L、单位周期的长度，2R、孔径，2r、金属圆柱的直径，h、金属圆柱的高度。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

参见图1与图2，本内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器实施例的结构，包括金属膜1、圆孔2、金属圆柱3、介质基底4和衬垫5，本例金属膜1为金膜，介质基底4为二氧化硅基底，圆孔2中的填充介质为空气。本例平面光由介质基底4的底面垂直向上入射，在金属膜1上表面透射光出射。

金属膜1附着于介质基底4表面，金属膜1有排列成为孔阵列的贯通金属膜的多个相同的圆孔2，圆孔2内的填充介质为空气。

本例一个周期的金属膜1长L与宽均为400nm，厚度H＝100nm。圆孔2半径R＝120nm。圆孔2中心线即为该周期金属膜1的中心线。

本例等离激元滤波器长宽方向各为50个周期。

每个圆孔2中均嵌有一个金属圆柱3，本例金属圆柱3为金圆柱，半径为80nm，高度为50nm,金属圆柱3下方为介质衬垫5，本例介质衬垫5为半径为80nm，高度为50nm的二氧化硅圆柱，金属圆柱3的上表面与金属膜1的上表面相平齐，且金属圆柱3与介质衬垫5的中心线与所嵌孔的中心线重合。

平面光从介质基底的底面垂直向上入射、透射金属膜，在金属膜上表面出射。

如图3所示为本实施例与对比例的透射光谱图，对比例为无内嵌圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其介质基底、金属膜的孔阵列的材质及结构参数与本实施例相同，只是没有内嵌的金属圆柱。图3横坐标为入射光波长，单位为μm,纵坐标为透射率，图中实线为本实施例的透射率曲线，虚线为对比例的透射率曲线。图3中可以明显看出，本实施例嵌入金属圆柱之后透射率得到了很大的增强，最高达0.92,而对比例最高仅0.75。

本实施例方案，通过改变金属圆柱的位置、半径和高度，调节透射峰的位置与大小，从而得到一种在理想波段、具有高透射率的光谱的等离激元滤波器。

图4的纵横坐标与图3相同，所示为与本实施例相似的方案中金属圆柱处于孔内不同位置的透射光谱图。金属圆柱3为金柱，高度h＝40nm，半径r＝80nm，金属圆柱3置于四个位置，①金属圆柱3底面与金属膜底面相平，即金属圆柱顶面与金属膜表面距离为60nm，z＝60nm；②金属圆柱3下方有一个高度20nm，半径r＝80nm介质衬垫，即金属圆柱顶面与金属膜表面距离为40nm，z＝40nm；③金属圆柱3下方有一个高度40nm，半径r＝80nm介质衬垫，即金属圆柱顶面与金属膜表面距离为20nm，z＝20nm；④金属圆柱3下方有一个高度60nm，半径r＝80nm介质衬垫，即金属圆柱顶面与金属膜表面相平，z＝0nm。实验仿真结果在图4中分别用实线、点划线、密点虚线和疏点虚线的曲线表示，图4中可见随着金属圆柱的上移，透射率逐渐增大，透射峰的位置出现轻微蓝移，即透射峰对应的波长稍有减小。

图5的纵横坐标与图3相同，所示为与本实施例相似的方案中不同高度金属圆柱的透射光谱图。金属圆柱3为金柱，半径r＝80nm，金属圆柱高度h分别为20，40，60，80，100nm。下方不同高度的介质衬垫使金属圆柱3与金属膜1上下表面的距离相等，实验仿真结果在图5中分别用实线、短横虚线、点虚线、点划线及细点虚线表示，图5中可见随着金属圆柱3高度的增大，透射峰的位置不断红移，即透射峰对应的波长不断增大，但透射率基本维持不变。

图6的纵横坐标与图3相同，所示为不同半径的金属圆柱的透射光谱图。金属圆柱3为金柱，高度h＝80nm，下方有高度10nm的介质衬垫，使金属圆柱与金属膜上下表面的距离相等，金属圆柱r为20，40，60，80，100nm，实验仿真结果在图6中分别用实线、短横虚线、点虚线、小横虚线及点划线的曲线表示，图中可见随着金属圆柱3半径r的增大，在r为20至70nm时透射率波峰上升，r到70nm以后透射率波峰下降。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，包括介质基底(4)及其附着于其表面的金属膜(1)，金属膜(1)有排列成为孔阵列的贯通金属膜(1)的多个相同的圆孔(2)，孔内的填充介质为空气，金属膜(1)孔阵列单位周期的长与宽相等，圆孔(2)中心线即为所处周期金属膜(1)的中心线；平面光由介质基底(4)的底面垂直向上入射、在金属膜(1)上表面透射光出射，或者平面光由金属膜(1)上表面垂直向下入射、在介质基底(4)的底面透射光出射；其特征在于：

所述金属膜(1)的每个孔中均嵌有一个金属圆柱(3)，金属圆柱(3)的直径小于孔径，金属圆柱(3)与孔壁之间有间隙；金属圆柱(3)的高度小于或等于孔的高度，金属圆柱(3)的顶面和底面均不超出金属膜(1)的上、下表面。

2.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述金属圆柱(3)的中心线与所嵌孔的中心线重合。

3.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述金属圆柱(3)与所嵌孔的孔壁之间的间隙为20nm～40nm。

4.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述金属圆柱(3)的高度小于孔的高度，金属圆柱(3)下方加调整金属圆柱(3)位置的介质衬垫(5)。

5.根据权利要求4所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述介质衬垫(5)为与金属圆柱(3)直径相同的介质圆柱，且介质圆柱与金属圆柱(5)中心线重合。

6.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述金属圆柱(3)的顶面与金属膜(1)的上表面相平齐。

7.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述金属膜(1)孔阵列单位周期的长与宽为300～500nm，在长和宽方向至少为50个周期。

8.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述金属膜(1)厚度为50～150nm。

9.根据权利要求1所述的内嵌金属圆柱的孔阵列周期结构的等离激元滤波器，其特征在于：

所述圆孔(2)的孔径为100～300nm。