[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出，亚波长金属沟槽的协调排列可产生高度局域化、尖锐的光学共振，且近场强度显著增强，类似于无序表面的热点。通过理论模态方法与红外区的实验反射率测量，表明这些由周期性但非均匀结构中的腔耦合驱动的模式可通过入射角调控，并在具有不同对称性和反对称性场分布的2-和3槽周期光栅中实验观测到。

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.

研究动机与目标

• 研究协调排列的金属亚波长沟槽如何产生与周期性光栅不同的独特光学响应。
• 探讨有序但非周期性的结构是否可产生类似于无序或SERS活性表面的光局域化态。
• 为理论预测的协调金属光栅中尖锐腔共振提供实验验证。
• 展示通过入射角调节在多腔系统中控制近场强度分布。

提出的方法

• 理论建模采用具有表面阻抗边界条件的模态方法，计算具有亚波长沟槽的金属光栅中的电磁场。
• 光栅结构由短（S）与长（L）间距的有理比 R/Q 定义，形成协调序列。
• 腔区场以具有余弦分布的横向模态展开，并通过沟槽壁的边界条件耦合。
• 通过将模态振幅与金属界面处的入射场和反射系数关联的矩阵方程求解系统。
• 计算反射率谱并与实验测量结果对比，以验证尖锐共振的存在。
• 实验采用电子束光刻与剥离工艺制备每周期含1–3个槽的二维金光栅，并通过傅里叶变换红外光谱仪测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 协调排列的金属沟槽是否能支持在简单周期性光栅中不存在的尖锐、高度局域化光学共振？
• RQ2 在协调结构中，每周期腔体数量增加时，近场强度分布与共振特性如何演变？
• RQ3 在多腔系统中，通过入射角调节，场分布的对称性（对称与反对称）在多大程度上可被控制？
• RQ4 这些协调结构是否表现出类似于无序或SERS活性表面的光学响应？
• RQ5 此类结构中腔模的理论预测是否可在红外区实验确认？

主要发现

• 每周期含两个和三个槽的协调光栅在1.67–6 μm范围内表现出对应于腔共振的尖锐反射率谷，实验已证实。
• 对于<2/3>光栅，观察到三种不同共振：对称（→→→）、对称-反对称（→←→）和反对称（→0←），其中后者在正入射时消失。
• 反对称模态（→0←）在约33°入射角时占主导，而对称模态在较低入射角时增强，证实了通过角度调节实现模态对称性的控制。
• 使用每沟槽四个腔模的理论计算与实验光谱匹配度在百分之几以内，验证了模型的准确性。
• 观测到的共振归因于在单个沟槽内强烈、波长相关的近场强度增强，类似于无序表面的热点。
• 当 R/Q 接近黄金分割比（≈0.618）时，系统从周期性行为过渡到准周期性行为，导致在简单周期结构中不存在的新局域化效应。