[論文レビュー] Role of commensurate arrangements in the optical response of metallic gratings

Aude Barbara, Perchec, J. Le+5 more|ArXiv.org|Jun 26, 2007

Optical Coatings and Gratings参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、波長未満の金属溝の共通配置が、不規則な表面のホットスポットに類似した高 Localization で鋭い光学共鳴を生成し、強い近接場強度増幅を示すことを提案している。赤外域における理論的モード法と実験的反射率測定を用いて、周期的だが非一様な構造におけるキャビティ結合によって駆動されるこれらのモードが、入射角の制御が可能であり、2スリットおよび3スリットの周期的グレーティングで実験的に観測された、明確な対称的および反対称的場分布を示すことを示している。

ABSTRACT

Light localization on commensurate arrangements of metallic sub-wavelength grooves is studied. We theoretically show that as the degree of commensuration tends to an irrational number new light localization states are produced. These have properties close to that reported for hot spots on disordered surfaces and are not permitted for simple period gratings. Some theoretical predictions are experimentally provided in the infra-red region by reflectivity measurements performed on two commensurate samples with respectively two and three slits per period.

研究の動機と目的

• 共通する金属の波長未満の溝の配置が、周期的グレーティングとは異なる特異な光学応答をどのように生成するかを調査すること。
• 制御可能で周期的ではないが秩序ある構造が、不規則またはSERS活性表面に類似した光の局在状態を生成できるかどうかを検討すること。
• 共通する金属グレーティングにおける理論的に予測された鋭いキャビティ共鳴が、実験的に確認されることを提供すること。
• 多キャビティ系において、入射角の調整によって近接場強度分布を制御できることを示すこと。

提案手法

• 理論的モデリングは、表面インピーダンス境界条件を用いたモード法を用い、波長未満の溝を持つ金属グレーティング内の電磁界を計算する。
• グレーティング構造は、同一の長方形の溝間の短い（S）と長い（L）間隔の有理数比 R/Q で定義され、共通の系列を形成する。
• キャビティ領域内の場は、余弦分布を示す横方向モードの展開として表され、溝の壁における境界条件によって結合される。
• システムは、モード振幅と金属界面における入射場および反射係数を関係付ける行列方程式により解かれる。
• 反射率スペクトルが計算され、実験的測定と比較され、鋭い共鳴の存在が検証される。
• 実験では、電子ビームリソグラフィーとリフトオフを用いて、1～3スリット/周期の2次元金グレーティングをプロセスし、フーリエ変換赤外分光法で測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通する金属溝の配置は、単純な周期的グレーティングに見られない鋭い、高 Localization の光学共鳴を支持できるか？
• RQ2 共通構造における1周期あたりのキャビティ数が増加するにつれて、近接場強度分布および共鳴特徴はどのように変化するか？
• RQ3 多キャビティ系において、場分布の対称性（対称的対反対称的）は、入射角の調整によってどの程度制御可能か？
• RQ4 これらの共通構造は、不規則またはSERS活性表面に類似した光学応答を示すか？
• RQ5 このような構造におけるキャビティモードの理論的予測は、赤外域で実験的に確認できるか？

主な発見

• 1周期あたり2スリットおよび3スリットの共通グレーティングは、1.67–6 μm 範囲で実験的に確認された鋭い反射率ディップを示し、キャビティ共鳴に対応している。
• <2/3>グレーティングでは、3つの明確な共鳴が観測された：対称的（→→→）、対称的・反対称的（→←→）、反対称的（→0←）で、後者は垂直入射時に消える。
• 反対称モード（→0←）は約33°入射角で支配的となり、対称モードは低い角度で強化され、角度調整によるモード対称性の制御が確認された。
• 1溝あたり4つのキャビティモードを用いた理論的計算は、実験スペクトルと数パーセントの誤差内で一致し、モデルの正確性が裏付けられた。
• 観測された共鳴は、個々の溝内に局在する強力で波長依存の近接場強度増幅に起因するとされ、不規則な表面のホットスポットに類似している。
• R/Q が黄金比（≈0.618）に近づくにつれて、周期的から準周期的行動に移行し、単純な周期的構造にない新たな局在効果が生じる。