太赫兹表面等离激元的棱镜耦合模式及应用

SPPs棱镜耦合模式又称为衰减全反射(Attenuated Total Reflection,ATR)它是依赖具有较高介电常数的棱镜,使得通过其中的波束的矢量相对自由空间波矢有一个增加量,与SSPPs模式的波矢相匹配而实现激发。这种耦合方式也可以认为是利用全反射光子隧道效应,当满足某个入射角度时达到波矢匹配条件,利用全反射激发SSPPs。图2-7所示的耦合方式为Otto型棱镜耦合方式。

图2-7　Otto型棱镜光栅耦合示意图

在Otto结构中,在棱镜和空气的界面处发生全反射,产生倏逝波,通过隧穿效应在金属-空气界面激发表面等离激元。入射光在棱镜内的波矢表示为

式中,k⊥和k∥分别表示棱镜中光波矢的垂直分量和水平分量。当水平分量和SSPPs波矢相等时,SSPPs将被激发,即

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式中,k SSPP是SSPPs的波矢;θint是入射光在棱镜底面的入射角。当满足式(2-2)时入射光将耦合激发SSPPs,并且在反射光谱上出现一个明显的吸收峰。当金属介质上的周期性结构的大小满足亚波长尺寸时,金属介质周期性结构上的SSPPs的色散关系可以表示为

如果在p型重掺杂硅上加工亚波长尺寸的矩形槽,其中槽的深度h=60μm,槽的周期p=60μm,槽的宽度w=30μm。一维矩形槽光栅结构的色散曲线如图2-8所示。

图2-8　一维矩形槽光栅结构的色散曲线

图中绿色的实线是根据式(2-3)利用MATLAB画出的,与之相对的红色方块点是利用CST的本征求解器仿真得到的。黑色与蓝色的实线分别代表自由空间光线(Light Line,LL)以及棱镜中的色散线。从图中可以看出,在低频段,SSPPs的色散曲线紧靠着LL但并没有交集,但在第一布里渊区域却逐渐远离LL,并接近水平。棱镜中的色散线与SSPPs的色散曲线相交于点A(图中的黑色实心点),而点A所对应的频率即为共振频率。