基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源

1.本发明属于阵列化可见光辐射源技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源。


背景技术：

2.表面等离子体波(spps)是由等离子体激元的整体振荡产生的一种电磁波模式，其具有明显的局域性和传播性。通常产生于金属与介质之间的交界面，沿该交界面传播并随着波的传播产生衰减。由于其明显的表面局域性，使之在超精细光刻领域，生物医学领域、亚波长光学、光能源电池、芯片制造等领域产生了极高的应用价值。因此深入研究金属表面等离子体波的激发方式和辐射理论就极为重要。时至今日，随着纳米技术与微纳工艺的进步，也为表面等离子体波的激发结构和辐射结构研究提供了更多的可能。
3.在金属上激发表面等离子体波主要可以用平面波和电子注激励。平面波激励理论上需要激发波矢与表面等离子体波波矢匹配，并且平面波的频率与目标表面等离子体波的频率相等。电子注激励又分为垂直激励与水平激励，前者激励起的表面等离子体波频点分散且频谱很宽；若是使用电子运动速度与表面等离子体波相速相同的聚焦电子束激励起的表面等离子体波频点单一，即为相干电磁波且能量更高。同时，由于表面等离子体波的局域性，需要使用特殊的辐射结构将其辐射至自由空间。图1是金属表面等离子体波传统垂直辐射结构的垂直剖面图。如图1所示，传统方式是在垂直于金属薄膜的方向上施加周期性介质或金属结构，将金属表面等离子体波沿垂直方向辐射至自由空间。但该模型的缺点是无法支持阵列化，从而很难提高其金属表面等离子体波的辐射强度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源，通过在金属薄膜的两侧设置周期矩形齿结构作为辐射结构，在垂直方向上采用阵列化设置从而实现阵列化可见光辐射源，以提高总体辐射强度。
5.为了实现上述发明目的，本发明基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源，包括n块金属薄膜，每块金属薄膜两侧均设置有金属或介质材料的周期化矩形齿结构作为辐射结构；n块金属薄膜采用多层等间距水平排布，从而形成垂直方向上的阵列化结构；n+1道圆柱型电子注分别水平注入金属薄膜阵列化结构的上下表面和金属薄膜之间的n-1个间隙，在掠过金属薄膜表面时激励金属等离子体波的奇模式，将金属等离子体波沿水平方向辐射至自由空间。
6.本发明基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源，由n块在两侧均设置有周期化矩形齿结构的金属薄膜构成，n块金属薄膜采用多层等间距水平排布，从而形成垂直方向上的阵列化结构；n+1道圆柱型电子注分别水平注入金属薄膜阵列化结构的上下表面和金属薄膜之间的n-1个间隙，在掠过金属薄膜表面时激励金属等离子体波的奇模式，将金属等离子体波沿水平方向辐射至自由空间。本发明具有以下有益效果：
7.1)本发明将现有技术中设置在金属薄膜垂直方向上的辐射结构改为设置在金属薄膜水平方向的两侧，改变可见光辐射方向，从而能够在垂直方向上实现金属薄膜的阵列化，使用多电子注来激发各层金属薄膜上的金属等离子体波，从而有效提高金属激光效率和辐射强度；
8.2)本发明通过对阵列化结构中金属薄膜的各项参数进行研究，通过金属薄膜的参数来控制金属等离子体波的辐射强度和方向，实现可见光辐射的可控。
附图说明
9.图1是金属表面等离子体波传统垂直辐射结构的垂直剖面图；
10.图2是本发明基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源的具体实施方式结构图；
11.图3是本发明中单个金属薄膜的俯视图；
12.图4是本实施例中反射镜面的应用示意图；
13.图5是本实施例中加载介质结构的金属薄膜的色散曲线图；
14.图6是本实施例中不同宽度金属薄膜产生金属等离子体波的仿真计算结果图；
15.图7是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同周期时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图；
16.图8是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同周期时阵列化可见光辐射源的ez分量xoy平面水平辐射等位图；
17.图9是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同占空比时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图；
18.图10是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同矩形齿深度时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图；
19.图11是本实施例中金属薄膜采用不同间距和单层金属薄膜时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图；
20.图12是本实施例中增加反射镜面后多层结构与反射镜之间的谐振效应等位图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
22.实施例
23.图2是本发明基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源的具体实施方式结构图。如图2所示，本发明基于金属等离子体波的阵列化可见光辐射源包括n块金属薄膜(图2中n＝4)，每块金属薄膜两侧均设置有金属或介质材料的周期化矩形齿结构作为辐射结构；n块金属薄膜采用多层等间距水平排布，从而形成垂直方向上的阵列化结构；n+1道圆柱型电子注分别水平注入金属薄膜阵列化结构的上下表面和金属薄膜之间的n-1个间隙，在掠过金属薄膜表面时激励金属等离子体波的奇模式，将金属等离子体波沿水平方向辐射至自由空间。
24.在实际应用中，n块金属薄膜可以由介质支撑结构来进行支撑，以便固定金属薄膜的阵列化结构，并且可以增强强度，在相邻两块金属薄膜之间的介质支撑结构中可以通过打孔形成电子注通道。
25.图3是本发明中单个金属薄膜的俯视图。如图3所示，本发明中单个金属薄膜在两侧设置了周期化矩形齿结构，当圆形电子水平掠过水平放置的金属薄膜表面，会在周期化矩形齿结构的两侧都形成金属等离子体波辐射，将金属等离子体波沿水平方向辐射至自由空间。当采用多层金属薄膜形成垂直方向上的阵列化结构后，可以显著提高总体辐射强度。
26.为了进一步增强可见光辐射强度，本实施例中还提出了一种通过反射镜面实现辐射增强的技术方式。图4是本实施例中反射镜面的应用示意图。如图4所示，在金属薄膜阵列化结构的两侧水平辐射方向上各增加一个反射镜面，镜面中间开孔作为耦合输出孔。该反射镜面可以和n层金属薄膜侧边形成f-p谐振，通过谐振使辐射波增强，增强后的辐射波通过耦合孔输出，从而实现辐射的增强输出。由于镜面开孔对谐振腔的品质因数存在影响，因此开孔在阵列化方向(图4中z方向)的长度应小于等于(d+h)n，其中d表示金属薄膜厚度，h表示相邻金属薄膜的间距，在电子运动方向上(图4中x方向)的长度应小于等于周期化矩形齿结构的周期l。
27.除了采用反射镜面增强辐射以外，还可以通过金属薄膜的参数来控制金属等离子体波的辐射强度和方向，接下来对于金属薄膜参数的优化方式进行详细说明。
28.在传统的垂直辐射结构中，金属等离子体波的辐射强度与金属薄膜宽度无关。而在本发明中采用的是水平辐射方式，金属薄膜宽度会对金属等离子体波的辐射强度产生影响。本发明经过研究发现，当金属薄膜的宽度w位于范围[λg,1.1λg]，即稍大于所激发的金属等离子体波的波导波长λg时，金属等离子体波在金属薄膜的边缘反射波会与正向传输的金属等离子体波相干相长，产生谐振效应，从而增大辐射强度。
[0029]
根据smith-purcell辐射理论，辐射波波长λ存在如下表达式：
[0030][0031]
其中，l为光栅的周期；β为电子速度与光速的比值；n为smith-purcell辐射空间谐波的次数；θ为辐射波的辐射角度。
[0032]
以上述公式为理论基础分析可知，周期矩形结构的结构周期l、占空比(周期矩形结构中矩形齿宽度g与结构周期l的比值g/l)与矩形齿深度h对于水平辐射强度和角度存在影响。例如当辐射角θ＝90
°
时，通过smith-purcell辐射可以计算得出最佳的结构周期l应为所激发的金属等离子体波的波导波长λg。
[0033]
为了便于仿真，本实施例中的阵列化可见光辐射源采用介电常数为2.36的介质作为基底(介质厚度d为200nm)，在其上加载具有周期化矩形齿结构的金属薄膜，其中金属薄膜厚度d＝50nm，宽度w＝150nm，周期化矩形齿结构的周期l＝145nm，矩形齿宽度g＝30nm，矩形齿深度h＝100nm，金属薄膜数量n＝4。圆柱型电子注以0.5倍的光速水平掠过金属薄膜的上方。图5是本实施例中加载介质结构的金属薄膜的色散曲线图。如图5所示，电子线与色散线的交点即为金属等离子体波的频点。频率高的为奇模式，频率低的为偶模式。而由于金属等离子体波的奇模式激发效率和强度都远高于偶模式，因此本发明所激发和辐射的皆为金属等离子体波奇模式。对该阵列化可见光辐射源进行仿真，以说明不同参数的优化方式。
[0034]
图6是本实施例中不同宽度金属薄膜产生金属等离子体波的仿真计算结果图。如图6所示，当金属薄膜宽度w＝150nm(稍大于金属等离子体波的波导波长λg)时，金属等离子体波的强度最高，相比于金属薄膜宽度w＝500nm时的强度约有3倍的增强，此时金属等离子体波与反射波之间会达到相干相长的效果。图6中时域图也显示在金属薄膜宽度w＝150nm时，金属等离子体波的时域信号在轻微衰减后又逐渐升高并趋于稳定。当金属薄膜宽度w为其他值时，时域信号存在持续性的衰减和较大的振荡。
[0035]
图7是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同周期时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图。如图7所示，当周期化矩形齿结构的周期长度l为金属等离子体波的波导波长145nm时，其水平辐射的强度最高。l＝100nm和200nm时，金属等离子体波辐射频率有轻微偏移，辐射强度约为l＝145nm时的1/2。图8是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同周期时阵列化可见光辐射源的ez分量xoy平面水平辐射等位图。如图8所示，在同一绘图比例尺下，周期l＝145nm时辐射强度最高且方向性最强，辐射角θ2约为90
°
，与smith-purcell辐射公式计算一致。因此在实际应用中，优选设置矩形周期结构的周期l的取值范围为[λ
g-5nm，λg+5nm]，可以令辐射强度和辐射角度较好。
[0036]
接下来令周期化矩形齿结构的周期长度l＝145nm，对于周期化矩形齿结构占空比(矩形齿宽度)对辐射效果的影响进行仿真。图9是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同占空比时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图。如图9所示，占空比对金属等离子体波的频率影响不大，但会改变金属等离子体波的辐射强度。当占空比约为1/3时，金属等离子体波的水平辐射强度最高，约为占空比为1/5时的2倍。因此在实际应用中，优选设置矩形周期结构的占空比g/l的取值范围为[0.25,0.4]，可以令辐射强度更优。
[0037]
接下来令周期化矩形齿结构的周期长度l＝145nm，占空比为1/3(即矩形齿宽度为50nm)，对于周期化矩形齿结构的矩形齿深度对辐射效果的影响进行仿真。图10是本实施例中周期化矩形齿结构采用不同矩形齿深度时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图。如图10所示，矩形齿深度对辐射频率点影响不大，但不同的矩形齿深度对辐射强度影响较大。当矩形齿的深度h＝100nm时，水平辐射的强度最高，约为h＝50nm和h＝150nm时的1.5倍，约为h＝20nm时的3.5倍。在其他参数不变情况下，矩形齿的深度h在[80nm,120nm]范围内辐射强度较好。
[0038]
最后，经研究发现，周期矩形齿的占空比与深度对水平辐射角度几乎没有影响，因此在控制辐射角度时，只需将矩形齿周期按照优选范围设置即可。
[0039]
就金属薄膜阵列化结构中金属薄膜之间的间距而言，合适的间距也可以增强各层金属等离子体波之间的耦合，经研究发现，金属薄膜的层间间距h在[50nm,75nm]范围内，对于金属等离子体波的耦合增强效果更佳。在实际应用中，还可以通过实验来确定最优取值。图11是本实施例中金属薄膜采用不同间距和单层金属薄膜时阵列化可见光辐射源的水平辐射频谱图。如图11所示，当层间距h＝60nm时，多层结构相比于单层结构，金属等离子体波的总体辐射强度约有3倍的增强；同时该图研究了层间距离h对金属等离子体波辐射强度的影响，由图可知当h＝60nm时金属等离子体波的辐射强度最强。相比单层结构，金属等离子体波辐射频点也有轻微的变化，但这种变化影响不大。
[0040]
最后对反射镜面对于辐射强度的增强效果进行实验。图12是本实施例中增加反射镜面后多层结构与反射镜之间的谐振效应等位图。如图12所示，当增加了反射镜面后，水平
辐射波在反射镜面之间产生谐振，从而增强了辐射强度。
[0041]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。