中科院長春光機所：在表面等離激元模式耦合研究中取得進展

【成果簡介】

近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光學技術中心光學與功能薄膜研究組，基于等離激元雜化模式，提出了一種在保證低歐姆損耗的同時，能對光場產生強烈束縛作用的復合光柵納米結構。研究成果以題為“Hybrid Plasmonic Modes in Multilayer Trench Grating Structures”發表在Advanced Optical Materials上。該工作獲得了國家自然科學基金重點項目和面上項目的支持。

【圖文導讀】

圖1 復合光柵的制備過程、形貌以及近紅外反射譜?

圖2 復合槽形光柵的形貌、不同光柵條帶寬度對應的反射譜，以及不同模式下的電場分布

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【研究內容】

通過等離激元納米結構實現光與物質的相互作用，可以帶來強的光場束縛效果，這意味著能量可被有效控制并壓縮在微米或納米尺度上。小的光模式體積對于器件設計具有重要意義，在諸如構造超表面材料，突破衍射極限，實現高集成度光學元件等方面有廣泛的應用前景。由于等離激元結構中金屬部分的存在，較大的歐姆損耗是不可避免的。損耗會直接降低器件的效率，對于熱光系數大的材料（諸如常見的半導體硅等），熱損耗導致材料特性發生改變，造成器件工作狀態的不穩定。因此，如何利用模式耦合等方法，在保證小的光模式體積的前提下降低結構的損耗，是當前研究的熱點之一。

科研人員利用激光直寫等手段，制備了兩種多層硅-鋁復合光柵結構。在第一種結構中，利用交替排列的五層硅-鋁薄膜構成了對稱的金屬—介質—金屬波導，激發的表面等離激元會在介質層波導中形成F-P諧振，使反射譜具有明顯的頻率選擇特性和線性可調諧特性。諧振峰波長可以通過對稱波導理論嚴格求解，所得結果與時域有限差分仿真結果高度吻合。在第二種結構中，復合光柵由光柵條帶和深槽結構兩部分組成。除了F-P諧振以外，深槽結構會激發腔效應產生，引入其他的諧振模式。在傾斜光入射條件下可以觀察到新模式的產生，這些模式在特定的波長會耦合在一起，形成C-S雜化模式。此外，通過改變光柵波導的寬度，F-P諧振模式與腔效應諧振模式會有規律地耦合產生雜化模式。該現象已經通過實驗得到了準確驗證。

研究人員分別計算了兩種結構的品質因數來評估其歐姆損耗高低。品質因數越高，結構的損耗也就越低。通過計算可以發現，相對于第一種結構，第二種復合深槽形光柵結構的品質因數提高了兩個量級，達到了313.81。這說明復合深槽光柵通過雜化模式的激發，實現了強光場束縛作用和低歐姆損耗效果的并存，為今后設計高品質的等離激元器件提供了支持。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170921_4615398.shtml

文獻鏈接：Hybrid Plasmonic Modes in Multilayer Trench Grating Structures (Advanced Optical Materials, 2017, DOI:10.1002/adom.201700496)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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