專利名稱：采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
近年來，隨著微納加工技術(shù)和納米材料的迅速發(fā)展，微納金屬結(jié)構(gòu)的電磁學(xué)性質(zhì)正受到越來越多的關(guān)注。光與表面微納金屬結(jié)構(gòu)的相互作用產(chǎn)生了一系列新的奇異物理現(xiàn)象。例如，1998年法國科學(xué)家Ebbesen及其合作者發(fā)現(xiàn)通過亞波長金屬孔列陣的光的異常增強(qiáng)現(xiàn)象(Extraordinary Optical Transmission)。H.J.Lezec等人的研究進(jìn)一步表明當(dāng)光透過亞波長金屬納米孔時，其透過率不僅可以得到增強(qiáng)，而且光束的衍射角度非常小，傳輸方向不遵循通常電介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的衍射規(guī)律。此外，與表面等離子體金屬微納結(jié)構(gòu)有關(guān)的新現(xiàn)象還有光與特殊分布的金屬微結(jié)構(gòu)作用后，出現(xiàn)沿左手規(guī)則傳播的特性，說明材料具有負(fù)折射率；光通過特定金屬納米孔結(jié)構(gòu)后，光波出射具有極好的方向性等等，微納金屬結(jié)構(gòu)表面等離子體波的研究已經(jīng)形成一個新的領(lǐng)域?；谖⒓{金屬結(jié)構(gòu)的新型表面等離子體技術(shù)器件可以被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、國家安全等多個領(lǐng)域。
光柵結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，但是在目前設(shè)計(jì)所得光柵結(jié)構(gòu)中，光波在光柵出射面的傳輸方向無法控制，這限制其在需要定向耦合功能器件方面的應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有的金屬光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)的表面波不可控制的問題，提出了一種可以控制表面波激發(fā)方向的金屬光柵結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟如下 (1)確定入射光的工作波長，根據(jù)入射光的波長λ，選擇基底材料，并在其表面蒸鍍厚度為t的金屬層； (2)在金屬層上開兩條縫，假設(shè)金屬縫的寬度為a，兩金屬縫的中心間距為d； (3)在兩條金屬縫中分別填充兩種不同的介質(zhì)，其介電常數(shù)分別為ε1和ε2，讓入射光垂直基底另一表面入射，此時兩條金屬縫中介質(zhì)在入射光的作用下其等效折射率為N1和N2，那么應(yīng)用公式(1)、公式(2)計(jì)算兩條金屬縫出口處激起的表面波初始相位φ1，φ2分別為 (4)為使能量在某一方向上相干迭加能量增大，而在另一方向上由于干涉相消能量減小，那么兩條金屬縫隙出口處的初始相位必須滿足 其中，k為正整數(shù)，λsp＝2π/Re(ksp)，ε0為空氣的介電常數(shù)，εm為金屬的介電常數(shù)，λsp表示表面波的波長，ksp表示表面波的波矢；將公式(3)，公式(4)兩式相減，可以得到 將公式(1)和公式(2)代入公式(5)中，可以得到 即兩縫的等效折射率之差為 (5)應(yīng)用公式(7)計(jì)算可以得到縫的寬度跟縫的等效折射率之間的關(guān)系 其中β＝N·k0，β表示傳播常數(shù)，N是介質(zhì)的等效折射率，k0是光在自由空間中的波矢，a為金屬縫的寬度，εd和εm分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬的介電常數(shù)，由此式計(jì)算可以分別得到N1，N2與縫寬a的關(guān)系以及N1-N2與縫寬a的關(guān)系，再根據(jù)公式(6)的計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算得到金屬縫的寬度a，通過公式(3)計(jì)算可以得到兩縫之間的間隔d； (6)通過上述步驟可以得到金屬縫的寬度a，兩縫的中心間隔d，以及縫中填充的介質(zhì)，利用現(xiàn)有加工技術(shù)可以完成上述設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)所得的結(jié)構(gòu)的制作。
所述步驟(1)中所述的金屬可以為金，銀，銅，鋁。
所述步驟(1)的基底材料可以為可見光波段的二氧化硅，石英，也可以為紅外波段的硅，鍺。
所述步驟(1)中所述的金屬銀的厚度t可以為10納米到200納米。
所述步驟(3)中的正整數(shù)k的取值可以為1，2，3，4，5。
所述步驟(3)中的相位條件如果滿足的話，能量將會沿介電常數(shù)較大的介質(zhì)一邊傳播，而在另一方向上能量很小。
所述步驟(4)中設(shè)計(jì)所得的縫寬a可以為5納米到100納米。
所述步驟(4)中設(shè)計(jì)所得兩金屬縫的間距d可以為200納米到2微米。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明設(shè)計(jì)所得結(jié)構(gòu)可以控制所激發(fā)的表面波的方向，并使得表面波在傳輸方向上的能量由于相干迭加大大增強(qiáng)，約為一般光柵激發(fā)能量的2倍左右；本發(fā)明設(shè)計(jì)所得的金屬光柵結(jié)構(gòu)波長使用范圍廣，可以使用于紫外到紅外各個波段。



圖1是本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算所得的折射率N跟金屬縫寬度a之間的關(guān)系圖，圖中橫坐標(biāo)表示金屬縫的寬度a，單位為納米，縱坐標(biāo)表示等效折射率N，實(shí)曲線表示第一個金屬縫內(nèi)介質(zhì)的等效折射率N1跟金屬縫的寬度a之間的關(guān)系，虛曲線表示第二個金屬縫內(nèi)介質(zhì)的等效折射率N2與金屬縫的寬度a之間的關(guān)系； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算所得的折射率之差N1-N2跟金屬縫寬度a之間的關(guān)系圖，圖中橫坐標(biāo)表示金屬縫的寬度a，單位為納米，縱坐標(biāo)表示等效折射率之差N1-N2，圖中曲線表示兩金屬縫內(nèi)介質(zhì)等效折射率之差N1-N2與金屬縫的寬度a之間的關(guān)系； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)所得的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中1表示基底材料二氧化硅S1O2，2表示金屬銀，3表示n1＝1的空氣縫，4表示n2＝1.52的介質(zhì)縫，5表示光源。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容；而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部內(nèi)容。
本發(fā)明實(shí)施例的具體步驟如下 (1)確定入射波長λ為632.8nm，選擇二氧化硅SiO2材料作為基底，在其表面蒸鍍200nm的金屬銀層，即t＝200nm (2)在銀層上開寬度為a的兩條縫隙結(jié)構(gòu)，兩條縫隙中心之間的間距為d； (3)選擇空氣和n2＝1.52的介質(zhì)材料分別填充兩條金屬縫，空氣的折射率n1＝1，入射光垂直于基底的另一表面入射，假設(shè)此時兩條金屬縫中的介質(zhì)在入射光的作用下其等效折射率分別為N1和N2，可運(yùn)用公式(1)和公式(2)計(jì)算兩條金屬縫出口處激起的表面波初始相位φ1、φ2分別為 (4)為使能量在某一方向上相干迭加能量增大，而在另一方向上由于干涉相消能量減小，兩條金屬縫隙出口處的初始相位應(yīng)該滿足 其中，k為正整數(shù)，λsp＝2π/Re(ksp)，ε0為空氣的介電常數(shù)，其值為1，εm為金屬的介電常數(shù)，通過查找光學(xué)手冊可得銀層在此波長的入射光作用下的介電常數(shù)為εm＝-16.24+i0.66，λsp表示表面波的波長，ksp表示表面波的波矢； 將公式(3)和公式(4)兩式相減，可以得到 將公式(1)和公式(2)代入公式(3)中，可以得到 即 可以得到N2-N1＝0.791； (5)應(yīng)用公式(7)計(jì)算可以得到金屬縫的等效折射率和金屬縫的寬度之間的關(guān)系 其中β＝N·k0，β表示傳播常數(shù)，N是等效折射率，k0是光在自由空間中的波矢，εd和εm分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬的介電常數(shù)，由該式計(jì)算所得的兩條金屬縫的等效折射率N1，N2與金屬縫的寬度a之間的關(guān)系如圖(1)所示，兩條縫的等效折射率之差N1-N2與金屬縫的寬度a之間的關(guān)系如圖(2)所示，在已知N2-N1＝0.791的情況下，通過計(jì)算可以得到兩條金屬縫的寬度為55nm； 將公式(5)代入公式(3)中，取k＝1，可以獲得滿足要求的兩金屬縫的間距d為770nm，在這里k取值為1，可使得兩條縫的間距足夠遠(yuǎn)而不受趨膚深度的影響，同時又可以滿足兩縫出射面的能量能夠相互作用； (6)利用現(xiàn)有微加工技術(shù)可以完成上述設(shè)計(jì)所得的結(jié)構(gòu)的制作。
權(quán)利要求
1.采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于以下步驟
(1)確定入射光的工作波長，根據(jù)入射光的波長λ，選擇基底材料，并在其表面蒸鍍厚度為t的金屬層；
(2)在金屬層上開兩條縫，假設(shè)金屬縫的寬度為a，兩金屬縫的中心間距為d；
(3)在兩條金屬縫中分別填充兩種不同的介質(zhì)，其介電常數(shù)分別為ε1和ε2，讓入射光垂直基底另一表面入射，此時兩條金屬縫中介質(zhì)在入射光的作用下其等效折射率為N1和N2，那么應(yīng)用公式(1)、公式(2)計(jì)算兩條金屬縫出口處激起的表面波初始相位φ1，φ2分別為
(4)為使能量在某一方向上相干迭加能量增大，而在另一方向上由于干涉相消能量減小，那么兩條金屬縫隙出口處的初始相位必須滿足
其中，k為正整數(shù)，λsp＝2π/Re(ksp)，ε0為空氣的介電常數(shù)，εm為金屬的介電常數(shù)，λsp表示表面波的波長，ksp表示表面波的波矢；將公式(3)，公式(4)兩式相減，可以得到
將公式(1)和公式(2)代入公式(5)中，可以得到
即兩縫的等效折射率之差為
(5)應(yīng)用公式(7)計(jì)算可以得到縫的寬度跟縫的等效折射率之間的關(guān)系
其中β＝N·k0，β表示傳播常數(shù)，N是介質(zhì)的等效折射率，k0是光在自由空間中的波矢，a為金屬縫的寬度，εd和εm分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬的介電常數(shù)，由此式計(jì)算可以分別得到N1，N2與縫寬a的關(guān)系以及N1-N2與縫寬a的關(guān)系，再根據(jù)公式(6)的計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算得到金屬縫的寬度a，通過公式(3)計(jì)算可以得到兩縫之間的間隔d；
(6)通過上述步驟可以得到金屬縫的寬度a，兩縫的中心間隔d，以及縫中填充的介質(zhì)，利用現(xiàn)有加工技術(shù)可以完成上述設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)所得的結(jié)構(gòu)的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(1)中所述的金屬可以為金，銀，銅，鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(1)的基底材料可以為可見光波段的石英、玻璃。，也可以為紅外波段的硅，鍺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(1)中所述的金屬銀的厚度t可以為10納米到200納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(4)中的正整數(shù)k的取值可以為1，2，3，4，5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(4)中的相位條件如果滿足的話，大部分能量將會沿介電常數(shù)大的介質(zhì)一邊傳播，而在另一方向上傳輸能量小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(5)中設(shè)計(jì)所得的縫寬a可以為5納米到100納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟(5)中設(shè)計(jì)所得兩金屬縫的間距d可以為200納米到2微米。
全文摘要
采用雙縫金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面波能量定向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其特征在于確定入射光，根據(jù)其波長λ選擇基底，并在其表面蒸鍍厚度t的金屬層；在金屬層上開兩條縫，假設(shè)縫寬為a，兩縫中心間距為d，分別填充兩種不同介質(zhì)；讓入射光垂直基底另一表面入射，可知兩種介質(zhì)在入射光作用下等效折射率，通過調(diào)制兩金屬縫出口處激起的表面波初始相位，使得出射光場的傳播方向在某一特定方向上，通過縫的寬度跟縫內(nèi)介質(zhì)等效折射率之間的關(guān)系以及兩金屬縫出口處激起的表面波初始相位公式，可計(jì)算得到所設(shè)計(jì)的金屬縫寬a，兩縫中心間隔d；本發(fā)明設(shè)計(jì)所得結(jié)構(gòu)簡單，在一個金屬面上即可完成整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作，該結(jié)構(gòu)可被用于需要定向耦合的器件中，實(shí)現(xiàn)對光束的定向控制。
文檔編號G02B27/00GK101178482SQ200710178619
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者羅先剛, 挺 徐, 杜春雷, 王長濤 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所