方体及环/盘阵列结构的表面等离子体共振特性研究

• 作者: 夏巍 曹文 李梅 潘庭婷 王鸣 邓亚利 郝辉
• 来源期刊: 光谱学与光谱分析
• 学科: 物理学
• 关键词: 局域表面等离子体共振 法诺共振 阵列结构 折射率传感
• 年，卷（期）: 2020,（5）
• 页码范围: 1345-1350
• 页数: 6页
• 分类号: O433.3
• 字数: 2889字
• 语种: 中文
• DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)05-1345-06

摘要

局域表面等离激元共振是金属纳米粒子表面的自由电子在光子作用下发生集体震荡而产生的一种共振现象.提出了一种方体及环/盘阵列结构,该结构主要由左侧单圆环和右侧方体及偏心圆环盘组成.利用时域有限差分算法(FDTD solutions)对该结构进行了光学性质的探究.仿真结果表明,当线性偏振光入射到金属表面时,在结构中激发局域表面等离子体共振现象,表现出明显的共振效应,在600～1700 nm范围形成了不同位置的共振谷.通过对结构电场电荷仿真图的对比分析,发现共振谷是由圆环内所激发的偶极共振模式与方体及环/盘激发的四偶极共振模式相互耦合杂化产生的混合等离子共振而形成的.当调整金属结构的各项参数时,金属纳米颗粒之间的局域表面等离激元共振会因电场耦合效应发生改变,因此法诺共振的产生对于金属结构的各项参数有着极大的依赖性(如左圆环直径L、右圆环直径R,结构高度H,左圆环到方体的距离D等),通过对结构各项参数的改变,可以实现对结构共振谷波长位置和共振强度的有效调控,达到对结构光学性质可控的目的.由于该结构具有独特的非对称性,进一步探究了入射光源偏振方向(即电矢量与x轴的夹角)对结构的共振谷波长位置以及共振强度的影响.结果表明,随着光源偏振角度的增加,共振谷J2处的波长位置出现明显的红移现象.但当偏振角度为90°时,共振谷J3处不能产生法诺共振现象.由此,可以通过改变光源的偏振方向来实现对该结构的光谱的共振强度及共振波长位置的调控.更为重要的是,该结构对周围的环境折射率有着较高的敏感度,最高可达755 nm·RIU-1,传感的品质因数(figure of merit,FOM)为18.4,该结构在环境折射率等生物传感器及微纳光子器件方面有着潜在的应用前景.