非对称纳米沟槽结构双色表面等离激元分束器及分束方法技术

本发明专利技术公开了一种非对称纳米沟槽结构双色表面等离激元分束器及分束方法。本发明专利技术的双色表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜的表面设置有主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部一侧设置有附加纳米沟槽，形成非对称纳米沟槽结构；通过操控结构中主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度调控所激发SPPs的相对振幅和相位差，在第一个工作波长下实现了SPPs向一个方向上的单向激发，进一步通过利用三阶波导模式所激发的SPPs贡献，在更短的第二个工作波长下实现了SPPs向相反方向上的单向激发。本发明专利技术同时还具有高SPPs激发效率和高消光比等高性能，以及几百纳米的超小尺寸，有利于高度集成，因此在超高集成度SPPs光子回路中将获得广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
非对称纳米沟槽结构双色表面等离激元分束器及分束方法
本专利技术涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器及其分束方法。
技术介绍
表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons)SPPs是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，其存在可以通过求解在金属与介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPPs最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应，近年来SPPs得到了研究者的广泛关注。由于SPPs可以突破衍射极限并在亚波长尺度操纵光场，SPPs有望实现超紧凑的集成全光回路，被认为是下一代信息处理技术的有力竞争者。为实现这样的应用，对SPPs实现高效及方向可控的激发是非常基本且关键的。目前，人们已提出了多种SPPs的单向激发器，即让激发出的SPPs向某一特定方向传播，这样既可以提高该方向上SPPs的激发效率，又可以降低相反方向上的杂散SPPs信号。但是这类表面等离激元单向激发器只能在某一个方向上实现SPPs的消光。更进一步的，人们又提出了双色表面等离激元分束器，即能够使两个不同波长的SPPs分别向两个相反方向进行单向激发。与表面等离激元单向激发器相比，双色表面等离激元分束器能够实现更多的功能，也有更广阔的应用，但是结构也更加复杂，难于制备，因此，这方面的工作目前还比较少。通过在纳米单缝两侧加两个周期不同的光栅，可以引导与周期相对应波长的SPPs向该方向传播。但这些额外的光栅结构极大的增加了SPPs分束器的尺寸，不利于高度集成。再者，在非对称的纳米单缝上覆盖一层有限厚度的介质膜也能实现SPPs的分束，但是由于增加了介质膜，缩短了SPPs的传输距离，同时降低了器件设计和加工上的灵活性。另外，由于受到纳米单缝较低的透射率的限制，这类基于纳米单缝结构的双色表面等离激元分束器激发SPPs的效率都比较低，大大限制了其实际应用。最近，有人提出利用尺寸不同的纳米沟槽对SPPs的不同反射特性，即制备一对平行的宽度不同的纳米沟槽来实现亚微米的分束器，但分束比过低，在分束波长650nm和750nm分别只获得了3:1和1:2的分束比。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器及其分束方法。本专利技术的一个目的在于提供一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器。本专利技术的基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜的表面设置有主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部一侧设置有附加纳米沟槽，附加纳米沟槽的宽度小于主纳米沟槽的宽度，形成非对称纳米沟槽结构；以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，从正面正入射到非对称纳米沟槽结构；在第一个工作波长下，在金属表面激发的表面等离激元SPPs有三种不同的来源：正入射的紧聚焦高斯光在主纳米沟槽的槽口直接激发的SPPs、主纳米沟槽中的一阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs和主纳米沟槽中的二阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs；通过同时调整主纳米沟槽的深度以及附加纳米沟槽的深度，使得正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs的振幅相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；与此同时，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在另一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在另一侧激发的SPPs刚好振幅相等、相位相同，二者相干相长，从而获得第一个工作波长下的SPPs的单向激发；在第二个工作波长下，主纳米沟槽中出现三阶波导模式，三阶波导模式在主纳米沟槽的槽口所激发的额外SPPs使金属表面的总的SPPs发射方向发生反转，从而实现第二个工作波长下的向另外一个方向上的SPPs的单向激发。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束方法。本专利技术的基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束方法，包括以下步骤：1)以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，在第一个工作波长下，从正面正入射到主纳米沟槽，激发主纳米沟槽中的对称模式的一阶波导模式；2)主纳米沟槽中的一阶波导模式向下传播到主纳米沟槽的底部后，激发附加纳米沟槽中的一阶波导模式；3)附加纳米沟槽中的一阶波导模式进一步传播到附加纳米沟槽的底部并被底部的金属反射；4)反射之后附加纳米沟槽中的一阶波导模式向上传播到主纳米沟槽的底部，激发主纳米沟槽中的反对称模式的二阶波导模式；5)主纳米沟槽中的二阶波导模式进一步向上传播到主纳米沟槽的槽口，并在主纳米沟槽的槽口激发金属表面的表面等离激元SPPs，在金属表面所激发的表面等离激元SPPs有三种不同的来源：正入射的紧聚焦高斯光在主纳米沟槽的槽口直接激发的SPPs、主纳米沟槽中的一阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs和主纳米沟槽中的二阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs；6)同时调整主纳米沟槽的深度h1和附加纳米沟槽的深度h2，使得正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs的振幅相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；与此同时，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在另一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在另一侧激发的SPPs刚好振幅相等、相位相同，二者相干相长，SPPs的单向激发的相位和振幅条件同时得到满足，从而获得SPPs的单向激发；7)选择第二个工作波长小于第一个工作波长，并且在第二个工作波长下，主纳米沟槽中出现三阶波导模式，三阶波导模式在主纳米沟槽的槽口所激发的额外SPPs使金属表面的总的SPPs发射方向发生反转，从而实现第二个工作波长下的向另一个方向上的SPPs的单向激发。其中，在步骤6)中，通过调整主纳米沟槽的深度h1改变主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式之间的相位差，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相位差；通过改变h2改变附加纳米沟槽中一阶波导模式所激发的主纳米沟槽中二阶波导模式的强度，控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相对强度，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相对振幅。金属薄膜的厚度≥400nm；材料采用金或银等贵金属。双色表面等离激元分束器实际上可以看作是由同一结构实现的两个表面等离激元的单向激发器，这两个表面等离激元单向激发器分别工作在两个不同波长，并且在这两个不同工作波长下单向激发SPPs的方向正好相反，于是就构成了一个双色表面等离激元分束器。因此，首先考虑在第一个工作波长下实现SPPs的单向激发。在正入射的紧聚焦高斯光激发下，金属薄膜表面的合适尺寸的纳米沟槽可以作为有效的表面等离激元激发器，以很高的效率向左右两个相反方向激发两束强度相同的SPPs。但是，由于正入射激发时激发光的空间对称性，纳米沟槽中只有对称模式的一阶波导模式可以被激发。该波导模式被纳米沟槽底部的金属以接近于1的反射率反射之后，进一步传播到沟槽口本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双色表面等离激元分束器，其特征在于，所述双色表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜的表面设置有主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部一侧设置有附加纳米沟槽，附加纳米沟槽的宽度小于主纳米沟槽的宽度，形成非对称纳米沟槽结构；以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，从正面正入射到非对称纳米沟槽结构；在第一个工作波长下，在金属表面激发的表面等离激元SPPs有三种不同的来源：正入射的紧聚焦高斯光在主纳米沟槽的槽口直接激发的SPPs、主纳米沟槽中的一阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs和主纳米沟槽中的二阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs；通过同时调整主纳米沟槽的深度以及附加纳米沟槽的深度，使得正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs的幅度相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；与此同时，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在另一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在另一侧激发的SPPs刚好幅度相等、相位相同，二者相干相长，从而获得第一个工作波长下的SPPs的单向激发；在第二个工作波长下，主纳米沟槽中出现三阶波导模式，三阶波导模式在主纳米沟槽的槽口所激发的额外SPPs使金属表面的总的SPPs发射方向发生反转，从而实现第二个工作波长下的向另外一个方向上的SPPs的单向激发。...

【技术特征摘要】
1.一种双色表面等离激元分束器，其特征在于，所述双色表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜的表面设置有主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部一侧设置有附加纳米沟槽，附加纳米沟槽的宽度小于主纳米沟槽的宽度，形成非对称纳米沟槽结构；以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，从正面正入射到非对称纳米沟槽结构；在第一个工作波长下，在金属表面激发的表面等离激元SPPs有三种不同的来源：正入射的紧聚焦高斯光在主纳米沟槽的槽口直接激发的SPPs、主纳米沟槽中的一阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs和主纳米沟槽中的二阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs；通过同时调整主纳米沟槽的深度以及附加纳米沟槽的深度，使得正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs的幅度相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；与此同时，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在另一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在另一侧激发的SPPs刚好幅度相等、相位相同，二者相干相长，从而获得第一个工作波长下的SPPs的单向激发；在第二个工作波长下，主纳米沟槽中出现三阶波导模式，三阶波导模式在主纳米沟槽的槽口所激发的额外SPPs使金属表面的总的SPPs发射方向发生反转，从而实现第二个工作波长下的向另外一个方向上的SPPs的单向激发。2.如权利要求1所述的双色表面等离激元分束器，其特征在于，所述金属薄膜的厚度≥400nm；材料采用金或银的贵金属。3.如权利要求1所述的双色表面等离激元分束器，其特征在于，所述第一个工作波长大于三阶波导模式的截止波长；所述第二个工作波长小于等于三阶波导模式的截止波长。4.如权利要求1所述的双色表面等离激元分束器，其特征在于，第一个工作波长为λ1，主纳米沟槽的宽度w1满足0.4λ1≤w1≤0.9λ1。5.如权利要求1所述的双色表面等离激元分束器，其特征在于，第一个工作波长为λ1，附加纳米沟槽的宽度w2满足0.05λ1≤w2≤0.3λ1。6.一种双色表面等离激元分束方法，其特征在于，所述分束方法包括以下步骤：1)在金属薄膜的表面设置有主纳米沟槽，在主纳米沟槽的底部一侧设置有附加纳米沟槽，附加纳米沟槽的宽度小于主纳米沟槽的宽度，形成非对称纳米沟槽结构，以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，在第一个工作波长下，从正面正入射到主纳米沟槽，激发主纳米沟槽中的对称模式的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖慧敏，李智，姚文杰，刘尚，孙成伟，陈建军，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11