康果果博士在亚波长金属光栅模态调控方面取得新进展
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将亚波长纳米光栅抽象为光波导，如图1所示，入射到金属光栅结构上的光波将激发出一系列由该结构所支持的光模态。这些模态中既包括能够传输能量的低阶导模，又包括具有较高吸收系数的高阶模。低阶导模在纳米结构内部自由传播，以驻波形式储藏在结构内部（导模在光栅上、下界面因多次反射产生驻波）, 形成“入射光—导模—驻波”通道（以下简称A通道）；高阶模因吸收限制了其在光栅区域内的传播，在一定条件下，高阶模将转换为表面波（如图d中"空气-金属"界面处的表面等离子体波），部分能量也因此被分配到了光栅表面，而形成“入射光—高阶模—表面波”通道（B通道）。通常情况下，上述两个通道在亚波长金属光栅中都是畅通的，即入射光的能量会分别通过导模、高阶模分配到光栅凹槽、光栅界面处，驻波与表面波总是共存的。相对于入射光，无论驻波还是表面波都具有了一些新的物理特征，并由此产生了许多重要的应用。例如，A通道中，限制在纳米栅缝中的驻波相比于入射光，其电磁场得到了显著增强。借助该处场增强，我们可以研究分子的拉曼散射、荧光和二次、三次谐波产生（second and third harmonic generation, SHG and THG）等非线性光学研究。除此之外，驻波的周期以及波腹和波节的位置与环境折射率密切相关，折射率的微小变化能通过驻波在反射或透射谱线中反应出来。因此，光栅凹槽中的驻波还可作为高灵敏度的纳米探针用于生物传感。B通道中的表面等离子体波相比于入射光具有较小的波长，携带了更多的高频信息，采用SPP进行光刻，便能获取更小的光刻节点。 |
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图1. 纳米光栅中能流通道示意图 |
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亚波长纳米金属光栅为无源器件，凹槽中的驻波和界面处的表面等离子体波均由入射光通过导模、高阶模转换而来，根据能量守恒，光栅中的这两种波存在着此消彼长的关系。对于基于驻波的场增强、折射率传感，我们希望尽可能多的入射光通过导模转换为驻波，即绝大部分光能量进入A通道；而对基于表面等离子体波的纳米干涉光刻，则希望光能量更多地进入B通道。导模、高阶模分别是A、B通道中的光能载体，载体的强弱决定了通道的开闭程度。基于模态理论，我们通过调整亚波长纳米金属光栅结构中受激导模、高阶模的权重，并有意识地增强或削弱导模、高阶模向驻波、表面等离子体波耦合的有利条件，在光栅中设置一个可控的“双通阀门”，成功实现了A、B通道的开闭（如图b、d所示），有望从源头上提高亚波长纳米金属光栅在各种具体应用中的性能。 相关研究成果将发表在2016年8月的《Plasmonics》上：Guoguo Kang*, Jue Wang, Peng Li, Jinliang Zang, Xiaodi Tan,“Modes manipulation within subwavelength metallic gratings,”Plasmonics, Vol.11, No.4, pp.1169-1174 (2015). (doi: 10.1007/s11468-015-0156-3) 论文的相关链接： http://link.springer.com/search?query=10.1007%2Fs11468-015-0156-3&search-within=Journal&facet-journal-id=11468 |
(2015.12.21)
