基于贵金属劈裂纳米环阵列的多重表面晶格共振 下载: 1099次
1 引言
纳米技术在提高光器件性能方面具有重要作用[1],由贵金属纳米颗粒产生的局域表面等离激元共振在新型微纳光子器件的设计方面具有广泛应用,但是其辐射损耗制约了器件的性能[2]。为解决上述问题,将贵金属纳米颗粒构成阵列结构,其中纳米颗粒的局域表面等离激元共振与阵列的瑞利异常形成耦合,从而产生表面晶格共振[3-4]。作为一种表面波模式,表面晶格共振可将入射光场能量更好地局限在阵列结构中,从而有效抑制体系辐射损耗,其共振品质因子可达几百[5],相对于局域共振,其局域场强显著提高。上述特性使表面晶格共振在非线性光学效应[6]、表面等离激元激光[7-8]、信息存储[9]、表面增强荧光效应[10-12]等方面得到广泛应用。
与单一的表面晶格共振相比,多重表面晶格共振能够在多个波段同时抑制体系辐射损耗,对多波长相关微纳光子器件的设计具有重要意义。例如,Odom教授课题组利用多重表面晶格共振实现多模表面等离激元激光[13]。除此之外,多重表面晶格共振在多个波段能够同时增大局域场强,对表面增强拉曼(SERS)散射具有重要意义[14-15]。目前科研人员已设计出非对称纳米颗粒二聚体阵列[16]、重叠阵列之间的杂化耦合[17]、纳米颗粒超晶格[18]等体系,以产生多重表面晶格共振。但上述体系的光学响应仅依赖于单个周期结构中纳米颗粒之间的耦合,这对样品的制备和器件的集成提出更高的要求。因此研究用单个纳米颗粒阵列结构[19]形成的多重表面晶格共振对实际应用具有重要价值。
本文提出一种采用贵金属劈裂纳米环阵列产生多重表面晶格共振的方法。在外界光场的激发下,劈裂环谐振器中能够形成环形的传导电流,从而产生磁共振模式[20]。这一独特的性质使其在片上集成太赫兹波器件[21]、平面超构透镜[22]、新型波导器件[23]、高灵敏度传感器[24]、滤波器[25]等方面得到应用。但上述研究只关注单个劈裂环谐振器的响应,未涉及劈裂环局域共振模式与阵列的瑞利异常耦合效应。由于劈裂纳米环磁偶极共振的等效偶极矩垂直于纸面,能够同时向平面的两个方向(
2 计算方法
采用时域有限差分(FDTD)法计算单个贵金属劈裂纳米环的局域表面等离激元共振、阵列结构的表面晶格共振特性。其中单个纳米颗粒和阵列结构采用的光源分别为全场散射场和平面波光源,计算中保持入射场偏振方向沿
3 结果与讨论
3.1 单个金劈裂纳米环光学特性
图 1. x偏振垂直入射情况下单个金劈裂纳米环的光学响应。(a)劈裂纳米环散射光谱(插图为劈裂纳米环的结构示意图);(b)电四极和(c)磁偶极共振模式近场分布特性
Fig. 1. Optical responses of a single gold split-ring resonator under x-polarized incidence that propagating along the z-axis. (a) Scattering spectrum of the split-ring resonator, and the inset denotes a schematic view of the split-ring resonator; near-field distributions at the center cross section of (b) electric quadrupole and (c) magnetic dipole resonances
对于一些结构简单并具有高度对称性的纳米颗粒(例如纳米球、纳米盘),在外界光场的作用下只能激发起电偶极共振,其电偶极矩与入射场偏振方向平行,故其散射场与入射场偏振方向垂直。然而
当上述纳米颗粒构成阵列结构,单个纳米颗粒不同的近场散射特性会引起不同的阵列结构光学响应。已有大量研究结果表明在对称纳米颗粒构成的阵列结构中,其电偶极共振与瑞利异常形成耦合能够产生垂直于表面晶格的共振[27]。电偶极共振的散射场与入射场偏振垂直形成表面晶格共振,其仅受垂直于入射场偏振方向上周期的调制,而平行于入射场偏振方向上的周期对其影响很小。对于劈裂纳米环的磁偶极和电四极共振,其散射场能够同时垂直和平行于入射场偏振方向,构成的阵列结构中所激发的表面晶格共振可受到
3.2 磁偶极共振与多重表面晶格共振
为验证上述推测,
为更清晰地展现阵列的周期对其光学响应的影响,
图 2. 劈裂纳米环阵列的光学响应。(a) y方向周期保持为1300 nm时x偏振垂直入射情况的消光谱;(b)消光谱随x方向周期变化关系
Fig. 2. Optical response of split-ring resonator arrays. (a) Extinction spectra of perpendicular incidence of x polarization when the period along the y-axis is 1300 nm; (b) relation of extinction spectrum with periodic change along x direction
式中:(
为进一步明确表面晶格共振产生劈裂的内在机制,
图 3. 不同波长处的电场振幅分布及x方向和y方向的电场强度分量。(a) 1972 nm;(b) 1968 nm;(c) 1995 nm
Fig. 3. Electric field amplitude distribution and the components of electric field intensity in x and y directions at different wavelengths. (a) 1972 nm; (b) 1968 nm; (c) 1995 nm
当
上述结果仅改变
3.3 电四极共振与多重表面晶格共振
与磁偶极共振类似,劈裂纳米环的电四极共振同样可向
为更好地展现其表面晶格共振与周期的变化关系,固定
图 4. 劈裂纳米环阵列的光学响应。(a) y方向周期保持为720 nm时x偏振垂直入射情况消光谱;(b)消光谱随x方向周期变化关系
Fig. 4. Optical response of split-ring resonator arrays. (a) Extinction spectra of perpendicular incidence of x polarization when the period along the y-axis is 720 nm; (b) relation of extinction spectrum with periodic change along x direction
进一步计算
图 5. 不同波长处的电场振幅分布及x方向和y方向的电场强度分量。(a) 1095 nm;(b) 1088 nm;(c) 1128 nm
Fig. 5. Electric field amplitude distribution and the components of electric field intensity in x and y directions at different wavelengths. (a) 1095 nm; (b) 1088 nm; (c) 1128 nm
4 结论
提出一种采用贵金属劈裂纳米环阵列产生多重表面晶格共振的方法。在劈裂纳米环构成的阵列结构中,磁偶极共振能够与两个周期方向的瑞利异常形成耦合,从而产生表面晶格共振。当阵列周期不同时,能够同时激发起两个表面晶格共振。此外,利用劈裂纳米环的电四极共振模式之间的耦合可得到类似的光学响应。这些结果表明贵金属劈裂纳米环阵列可产生多重表面晶格共振,对高灵敏度生化传感、纳米激光器等新型光子器件的设计具有重要的意义。
[1] 刘安. 光子学和光电子学及其研究进展[J]. 光通信技术, 2013, 37(9): 51-53.
[2] MAIER[\s]{1}SA.[\s]{1}Plasmonics:[\s]{1}fundamentals[\s]{1}and[\s]{1}applications[M].[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}Springer,[\s]{1}2007.[\s]{1}
[3] Wang W J, Ramezani M, Väkeväinen A I, et al. The rich photonic world of plasmonic nanoparticle arrays[J]. Materials Today, 2018, 21(3): 303-314.
[6] Hooper D C, Kuppe C, Wang D Q, et al. Second harmonic spectroscopy of surface lattice resonances[J]. Nano Letters, 2019, 19(1): 165-172.
[7] Guo R. Ne ada M, Hakala T K, et al. Lasing at K points of a honeycomb plasmonic lattice[J]. Physical Review Letters, 2019, 122(1): 013901.
[12] 吕国伟, 沈红明, 程宇清, 等. 局域表面等离激元增强荧光研究进展[J]. 科学通报, 2015, 60(33): 3169-3179.
[14] 赖淑妹, 黄志伟, 王仰江, 等. Ag纳米结构局域表面等离激元共振模拟与分析[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(12): 122601.
[15] 崔健, 季博宇, 林景全. 激发等离激元Fano共振的金属类圆盘纳米结构体系[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(6): 060002.
[17] Baur S, Sanders S, Manjavacas A. Hybridization of lattice resonances[J]. ACS Nano, 2018, 12(2): 1618-1629.
[19] 潘庭婷, 曹文, 王鸣. 多圆孔周期性银膜阵列结构的光学特性[J]. 光学学报, 2019, 39(1): 0104001.
[21] Zhang T, Zhang Y X, Yang Z Q, et al. Efficient THz on-chip absorption based on destructive interference between complementary meta-atom pairs[J]. IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(6): 1013-1016.
[25] Luo X H, Cheng X, Han J A, et al. Compact dual-band bandpass filter using defected SRR and irregular SIR[J]. Electronics Letters, 2019, 55(8): 463-465.
张春琳, 刘杰, 侯浩杰, 李孟春. 基于贵金属劈裂纳米环阵列的多重表面晶格共振[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(20): 202420. Chunlin Zhang, Jie Liu, Haojie Hou, Mengchun Li. Multiple Surface Lattice Resonances Generated with Noble Metallic Split-Ring Resonator Arrays[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(20): 202420.