基于时域有限差分法对金属光栅异常透射研究

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自20世纪初,金属与电介质相邻界面上的表面等离激元(SPP)引起学者普遍关注。Ebbesen团队于1998发现了金属亚波长孔阵列上出现的异常光学透射(EOT)现象,并用SPP解释该现象的物理机理,此后SPP的研究备受研究者青睐。异常透射除了有较多的应用潜能外,还存在诸多,甚至相互矛盾的物理成因解释,因此亚波长孔阵列出现的异常透射现象成为研究热点。到目前为止,关于促成异常透射现象的物理机制,被广泛认可的有:SPP共振、LSP共振、Fabry-Perot共振等,这些物理机制在光的异常透射现象(EOT)形成过程中所发挥的作用有待进一步的深入研究。本文使用时域有限差分(FDTD)方法和严格耦合波方法(RCWA)对周期亚波长金属狭缝光栅异常透射现象进行了数值仿真研究,探讨了银(Ag)梯形狭缝光栅异常透射产生的物理机制。研究如下:(1)使用FDTD方法,针对不同的亚波长金属狭缝光栅模型,分析了各种几何参数对其透射效率的影响。这些参数主要包括光栅占空比,光栅两侧材料种类,光源入射光栅的方向以及狭缝宽度。针对多种不同结构光栅:玻璃-Ag-空气、空气-Ag-玻璃、玻璃-Ag-玻璃、空气-Ag-空气等结构模型,设定其占空比为4/5,通过增加或减小光栅厚度,考察了光栅厚度对光栅透射率的影响。数值模拟结果显示,亚波长金属光栅中的狭缝近似于F-P谐振腔,其透射峰值出现原因与F-P腔共振和表面等离激元紧密相关;当依次改变狭缝宽度,光栅厚度及光栅两侧材料和入射波方向后,异常透射峰值所对应的频率将发生红移和蓝移现象,对于改变狭缝宽度出现红移所对应的物理机理为F-P腔共振耦合,且峰值对应频率与狭缝宽度为线性关系;发现,当光源从介电常数较小一侧入射时,将会得到较大的透射波峰。(2)使用RCWA法,针对占空比为4/5的相同金属光栅结构进行频域仿真计算,对比了两种仿真方法所得到异常透射结果表明,透射频谱中峰值所对应的频率与FDTD方法的结果基本一致;实验结果表明,频域和时域方法异常透射的第一峰值所对应频率的相对误差为2%,次波峰所对应频率的相对误差为1%,最低波峰对应频率的相对误差为3%;其误差可能由色散材料选取和边界条件处理引起,但其误差相对较小。文中模拟实验结果对理解亚波长金属光栅中入射波与金属表面及狭缝之间的耦合关系,促成异常透射现象的物理机理具有重要意义。
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