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        雙層式金屬光柵結(jié)構(gòu)的反射特性研究*

        2022-03-31 02:34:58程燦兒黃川洋邵偉佳童章偉王詠梅
        廣西物理 2022年3期
        關(guān)鍵詞:偏振光入射角折射率

        程燦兒,張 釗,黃川洋,邵偉佳,童章偉,王詠梅?

        (1.廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.中國電子科技集團(tuán)公司第34 研究所,廣西 桂林 541004)

        0 引言

        水不僅是生命之源,同時對社會經(jīng)濟(jì)也具有重要的價值和意義。隨著人類社會的進(jìn)步,水污染卻愈發(fā)嚴(yán)重,因此,進(jìn)行水質(zhì)檢測與保護(hù)刻不容緩,各類水質(zhì)檢測傳感器[1]及水質(zhì)檢測系統(tǒng)[2-3]由此應(yīng)運(yùn)而生。在眾多的水質(zhì)檢測傳感器[4-6]中,基于亞波長光柵的一類傳感器頗受關(guān)注。

        亞波長光柵是指周期常數(shù)小于工作波長的周期性光柵[7]。亞波長金屬光柵具有表面增強(qiáng)效應(yīng)、寬光譜、高反射率等優(yōu)點,并且科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展也促使各種金屬光柵的制作工藝趨于成熟,這使得此種光柵廣泛應(yīng)用于偏振器[8-9]、傳感器[10-11]等領(lǐng)域中。表面增強(qiáng)效應(yīng)是由表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)[12-13]所引起。目前,基于SPR技術(shù)的傳感測量蓬勃發(fā)展,在環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)等許多方面都有廣泛的應(yīng)用前景。基于此,本文構(gòu)建了一種基于雙層結(jié)構(gòu)的亞波長金屬光柵,采用時域有限差分法[14-16],通過FDTD Solutions軟件進(jìn)行模擬仿真,深入研究不同折射率背景下光柵的反射特性,為金屬光柵傳感器在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

        1 模型構(gòu)建

        對亞波長金屬光柵的結(jié)構(gòu)尺寸、光波入射角進(jìn)行研究,其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

        圖1 雙層式亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)

        圖1是一個600 nm×600 nm×400 nm的雙層亞波長金屬光柵仿真模型,其中,光柵周期為120 nm,金屬涂層的上層是厚度為100 nm的金屬Ag膜,下層是厚度為100 nm的Au膜,凹槽寬度設(shè)置為50 nm,襯底是厚度為200 nm的SiO2。這里給出傳感器靈敏度及半高寬值定義,通常把SPR波長的偏移量與分析物折射率的變化量的比值定義為傳感器靈敏度,如公式1所示;而半高寬值是指吸收譜帶高度為最大處高度一半時譜帶的全寬,如公式2所示。

        其中λΔ 是SPR波長的偏移量,Δn 是分析物折射率的變化量。

        2 過程與結(jié)果分析

        首先探究光柵厚度對反射特性的影響,得到最優(yōu)光柵厚度后,以最優(yōu)光柵厚度構(gòu)建模型用于最優(yōu)光柵周期的研究,之后以得到的最優(yōu)周期研究偏振光對反射特性的影響,然后探究光照角度的影響,最后用上述最佳參數(shù)構(gòu)建模型用于研究物質(zhì)折射率對反射性質(zhì)的作用。

        2.1 光柵尺寸對反射特性的影響

        (1)光柵厚度d

        首先探究光柵厚度對光柵反射性質(zhì)的影響。光柵厚度即金屬涂層和凹槽厚度一起從160 nm增大到240 nm,每次增加20 nm并進(jìn)行仿真,其中Ag膜和Au膜均變化10 nm,其結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同厚度下光柵的反射光譜

        通過分析圖2可知,d=200 nm所對應(yīng)的光譜曲線的峰1和峰2具有更小的半高寬值,波峰與波谷的差值較大,故d=200 nm是雙層式光柵的最佳厚度。

        (2)光柵周期T

        接下來,將光柵厚度固定在200 nm來研究光柵周期對反射效率的影響,依次調(diào)整光柵周期從80 nm到170 nm,每調(diào)整一次增加10 nm并仿真一次,結(jié)果如下圖3所示:

        圖3 不同周期下光柵的反射光譜

        根據(jù)圖3所示,在增加光柵周期的情況下,峰1和峰2的的峰值不斷增大,這是因為周期增大的情況下,凹槽尺寸不變,占空比下降,透過率減小,反射率增大。根據(jù)公式1和公式2的擇峰標(biāo)準(zhǔn),T=120 nm是相對理想的周期參數(shù)。

        2.2 入射光角度對反射特性的影響

        接下來,將探究光照入射角對反射特性的影響。然后使TM偏振光依次以0°、15°、30°、45°、60°、75°的角度入射光柵表面,其模擬結(jié)果見圖4。

        圖4 TM偏振光不同入射角下光柵的反射光譜

        由上圖4可知,θ=75°是最佳入射角。然后把光源改為TE偏振光,同樣以0°、15°、30°、45°、60°、75°的角度依次入射光柵表面,得到的反射光譜如下圖5所示:

        圖5 TE偏振光不同入射角下光柵的反射光譜

        由上圖5可知,最佳入射角仍然是75°。對比圖5和圖5,TM偏振光的作用效果比TE偏振光的稍好,這是由于當(dāng)入射光為TM偏振光時,在凹槽內(nèi)部產(chǎn)生了F-P腔共振。

        綜合以上的研究結(jié)果,得出雙層式金屬亞波長光柵的最優(yōu)參數(shù)如下表1所示:

        表1 雙層式亞波長金屬光柵最優(yōu)參數(shù)

        2.3 光柵覆蓋物對反射特性的影響

        根據(jù)表1的參數(shù)結(jié)果,設(shè)計金屬光柵模型,然后在光柵表層覆蓋100 nm厚的分析物,逐次調(diào)整覆蓋的分析物的折射率n從1.2 RIU至2.0 RIU,每次增加0.2 RIU并進(jìn)行仿真記錄,結(jié)果如下圖6所示:

        圖6 不同折射率覆蓋物下光柵的反射光譜

        對峰1、峰2、峰3的對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如下圖7所示:

        圖7 不同折射率分析物下光柵的反射光譜擬合。(a) 峰1;(b) 峰2;(c) 峰3

        分析圖7可知,峰1的COD(Coefficient of Determination)約為0.9624,峰2的COD約為0.9995,峰3的COD約為0.9428,由此可知在波段400 nm~600 nm間,線性擬合度最大,COD值接近1,即波峰的偏移量與待測物質(zhì)的折射率呈現(xiàn)一種線性關(guān)系。

        3 總結(jié)

        本文利用FDTD Solutions研究了雙層式金屬光柵結(jié)構(gòu)的反射特性,即結(jié)構(gòu)尺寸、偏振光和入射角對光柵反射性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明,將得到的各項最優(yōu)參數(shù)即光柵厚度為200 nm、光柵周期為120 nm構(gòu)建光柵模型,以75°的TM偏振光照射,經(jīng)過模擬可知在波長處于400 nm至600 nm之間時,波峰偏移量與待測物質(zhì)折射率有良好的線性關(guān)系,符合傳感器靈敏度的測量要求,為金屬光柵傳感器在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

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