亞波長金屬光柵的聚焦特性的應(yīng)用分析

王巧霞 李娣娜 宋蓓

摘 要：隨著科技的快速發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)器件對微型化和集成化的需求不斷提高。亞波長金屬光柵是指光柵的周期小于入射波長，能夠突破衍射極限，其具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易集成等特點。介紹了光柵激發(fā)表面等離子體模式相關(guān)理論，分析了金屬納米狹縫光柵對光路進行有效調(diào)控從而實現(xiàn)光束的聚焦。在與光波相互作用中亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出許多新穎的效應(yīng)，其中聚焦特性可應(yīng)用于超分辨成像、生物傳感、納米激光器等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：亞波長金屬光柵;表面等離子體激元;衍射極限

中圖分類號：TB ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.06.092

0 引言

1902年，Wood在研究金屬光柵的光譜實驗中發(fā)現(xiàn)反射光譜存在缺級的異常現(xiàn)象，其實這是最早與表面等離子體激元（Surface plasmon polaritons， SPPs）有關(guān)的實驗發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時人們對其本質(zhì)并不清楚。直到1941年，F(xiàn)ano 等人根據(jù)金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)解釋了Wood的異常實驗現(xiàn)象。1957年， Ritchie在實驗中發(fā)現(xiàn)電子在穿過金屬薄膜時會發(fā)生“能量吸收峰”現(xiàn)象，他通過計算解釋了這種現(xiàn)象的成因，并第一次提出了“等離子體激元”這一概念。1998年，Ebbesen小組發(fā)現(xiàn)光在通過金屬薄膜上二維亞波長孔徑陣列時，光強遠高于按照經(jīng)典衍射理論所計算的結(jié)果，這種超透射現(xiàn)象是因為金屬孔徑陣列引起的表面等離子體激元增強效應(yīng)。表面等離子體激元是由入射光子引起金屬表面自由電子共振而產(chǎn)生沿金屬表面?zhèn)鞑サ慕饘匐娮邮杳懿āＫ谴嬖谟诮饘俦砻娴囊环N非輻射局域電磁模式，其具有表面局域和近場增強的特性。隨著納米加工技術(shù)的日趨成熟，通過金屬表面的結(jié)構(gòu)來改變表面等離子體激元的特性，成為研制新型光子學(xué)器件的新途徑。

1 金屬光柵耦合理論

表面等離子體激元是金屬-介質(zhì)界面的傳播的電磁波，其規(guī)律服從麥克斯韋方程組結(jié)合邊界條件，可以解出TM偏振光波下SPPs在界面上的色散關(guān)系為ksp=k0 ε1ε2ε1+ε2SymboleA@ 2）。研究表明：一方面只有用TM波照射金屬-介質(zhì)界面時，SPPs才能被激發(fā);另一方面相同頻率情況下，SPPs的波矢量要大于自由空間中光子的波矢量，即在光滑的金屬表面上不能用入射光直接照射的方式激發(fā)SPPs。所以 SPPs的激發(fā)需要特定的條件，其激發(fā)方式主要由棱鏡耦合、光柵耦合以及近場激發(fā)等方式。

光柵耦合利用光柵結(jié)構(gòu)的衍射光引入一個額外的波矢量的增量kg就可以實現(xiàn)入射光與SPPs波矢量的匹配。如圖1所示在金屬薄膜表面部分區(qū)域?qū)懭胙苌涔鈻牛?dāng)入射電磁波到達光柵表面時，其動量水平分量發(fā)生改變，橫向波矢量kx=ksinθ +kg=ksinθ+2nπ/D（θ為入射角），當(dāng)滿足kx=kSP條件時就會激發(fā)SPPs波。總之，入射光波的衍射場進行傅里葉分解包含有各個大小的分量，那些大于真空中波矢量的成分多數(shù)都不能向前傳播很快衰減;只有滿足SPPs波矢量條件的能激發(fā)SPPs波而發(fā)生能量轉(zhuǎn)換。

目前常用于SPPs激發(fā)的光柵結(jié)構(gòu)包括狹縫光柵、凹槽光柵、啁啾光柵、孔徑陣列結(jié)構(gòu)以及各種形狀的顆粒陣列。

2 金屬納米狹縫光柵聚焦調(diào)控

傳統(tǒng)光學(xué)透鏡通過彎曲表面具有折射率對比產(chǎn)生光的折射從而實現(xiàn)光束整形，類似地由于金屬光柵結(jié)構(gòu)的材料與幾何外形等參數(shù)都可以自由設(shè)定，因而對光路進行有效調(diào)控從而實現(xiàn)光束的聚焦。

入射光照到金屬狹縫時，由于狹縫的寬度遠小于入射波長，出射狹縫可以看作新的點波源，不同長度狹縫對光波的位相改變不同。在金屬膜上刻有等間隔的納米狹縫光柵，當(dāng)縫長按照從中間向兩邊依次遞減，使狹縫陣列端口形成內(nèi)凹，如圖2所示該金屬結(jié)構(gòu)光束聚焦明顯。與介質(zhì)透鏡比較，金屬納米縫陣列沒有因為光在彎曲表面折射和全反射而引起能量損耗，可看做純相位元件。利用金屬狹縫陣列負折射性質(zhì)和相位調(diào)制實現(xiàn)波前塑形，還可以調(diào)控金屬狹縫光柵的縫寬、縫深以及狹縫的間距等。

3 SPPs聚焦特性的應(yīng)用

3.1 超分辨成像

傳統(tǒng)光學(xué)成像始終受限于衍射極限，導(dǎo)致光學(xué)成像分辨率只有入射光波長的二分之一。因為攜帶高于衍射極限信息的波矢量大于光在自由空間的波矢量，使得這部分光只能以倏逝場的形式傳播，無法將信息傳遞到像平面，導(dǎo)致物體精細結(jié)構(gòu)成分的丟失。借助金屬納米光柵結(jié)構(gòu)負折射性質(zhì)可將倏逝場成指數(shù)增加，從而實現(xiàn)金屬透鏡的超分辨成像。利用SPPs超分辨成像的光刻技術(shù)，使光子器件的尺寸達到亞波長級，可以與電子器件相匹配連成光電集成回路，光電集成在信息傳輸過程中具有速度快，容量大，損耗小等特點。

3.2 生物傳感

在光纖纖芯內(nèi)寫入長周期光柵，將芯內(nèi)的模式在某一特定波長轉(zhuǎn)化成包層高階模，使高階模與等離子體的相位實現(xiàn)匹配，可以把消逝波轉(zhuǎn)換為傳輸波，從而把物體的亞波長信息傳送到遠場，實現(xiàn)超越衍射極限的放大成像。表面等離子體成像技術(shù)能直觀、實時地監(jiān)測分子相互作用的動力學(xué)過程，如DNA雜交，蛋白質(zhì)分子相互作用分析等。基于SPPs的傳感器具有靈敏度高，速度快，清晰度高等特點，在化工化學(xué)、生物醫(yī)療和環(huán)境檢測等方面有巨大的應(yīng)用價值。

3.3 納米激光器

在半導(dǎo)體激光器的出射面上制作金屬微納光柵，電子空穴對（激子）被外界能量泵浦激發(fā)后，在激子能級躍遷的復(fù)合過程中，靠近金屬表面的電子躍遷更多地耦合成表面等離子體激元，產(chǎn)生相干強沒有輻射損耗的光子，可以直接對激光器發(fā)出的光束進行準(zhǔn)直與整形，使光的發(fā)散度大大降低。由于該模式耦合成為SPPs的自發(fā)輻射，沒有向外界輻射光子，因此可以提供噪聲很小的光學(xué)放大和較大的損耗補償。

4 結(jié)束語

亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)可將光壓縮為二維表面等離子波，近場區(qū)域的倏逝波匯聚而增強的特性和突破衍射極限的超聚焦技術(shù)，使得有關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的表面等離子體的研究備受關(guān)注。如何利用SPPs設(shè)計新型高效的納米光子學(xué)器件和如何降低SPPs波導(dǎo)傳輸損耗是未來需要深入研究的課題。隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，SPPs在高密度存儲、新型光源和能源、亞波長光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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