超越SNOM探针通光孔径尺寸的金属纳米间隙超分辨测量
发布时间：2021-03-07 09:40
采用电磁场有限元方法,数值模拟了孔径型扫描近场光学显微镜（aperture Scanning Near-field Optical Microscopy,a-SNOM）在照明模式下的工作过程.针对金偶极天线结构,改变天线长度和纳米间隙尺寸,计算了a-SNOM探针孔径的远场辐射速率随探针端面中心坐标变化的扫描曲线,实现了超越a-SNOM探针通光孔径尺寸的天线金属纳米间隙的超分辨测量,对于100nm通光孔径的探针,可分辨最小尺寸为10nm（0.016倍波长）的金属间隙.通过对比金属和介质偶极天线的a-SNOM探针远场辐射速率测量的计算结果,表明天线金属纳米间隙的超分辨测量的实现是由于金属间隙表面等离激元的激发.
【文章来源】：光子学报. 2020,49(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
硅偶极天线归一化远场辐射速率Γrad/Γrad,0随探针端面中心x坐标的变化曲线
图1(a）是使用COMSOL软件，模拟a-SNOM照明模式下，光纤探针扫描金偶极天线结构的示意图，从上到下：灰色圆柱表示光纤探针，黄色长方体表示金偶极天线，蓝色长方体表示玻璃基底，黑色圆台表示收集物镜．取坐标原点位于天线间隙中心，设天线臂长度为L，天线横截面为边长40nm的正方形，两根天线臂之间的纳米间隙水平宽度为w，金偶极天线放置在玻璃基底上．如图1(a）所示，a-SNOM光纤探针位于金偶极天线上方，COMSOL软件中，将探针针尖处理为高度200nm的圆柱，探针端面通光孔径为100nm，外层包覆着厚度为100nm的铝膜，以避免杂散光进入探针[26]．设针尖出射端面中心在y=0、z=40nm的直线上，沿x方向扫描．本文计算取时间因子为exp(-i wt），其中w为入射光角频率，t为时间．取入射波长λ=633nm，对于该波长，金的折射率为0.18+3.00i，铝的折射率为1.37+7.62i[27]．玻璃基底、光纤的折射率均为n=1.5．利用COMSOL软件端口模式分析，计算得到的探针入射基模式在x-y平面内的电场分布如图1(b）所示，从左至右给出了电场x、y、z分量的模|Ex|、|Ey|、|Ez|，图中虚线为探针通光孔径、外层铝膜的边界．该基模式的等效折射率为neff=0.14+2.45i，为衰减最慢的模式（即模式的等效折射率虚部最小）．
式中，Re[Ex(0,0,0）]是点源位置电场x分量的实部．用点源在空气自由空间中的辐射速率Γair=ηvack02na/（12π）对Γtot进行归一化，其中k0=2π/λ，na=1是空气折射率，ηvac表示真空中波阻抗[30]．Γtot/Γair表示辐射速率的增强倍数，称为Purcell因子[31]．计算基于严格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法[30,32,33],RCWA已被广泛用于求解周期结构的电磁场，通过引入完美匹配吸收层，并构造虚拟周期，可将RCWA算法用于求解非周期结构的电磁场，相应算法也称为非周期傅立叶模式法（aperiodicFourier Modal Method,a-FMM).对于图2(a）所示的金纳米偶极天线辐射问题，图2(b）给出了归一化总辐射速率Γtot/Γair随天线臂长度L变化的曲线，不同曲线分别对应天线间隙尺寸取w=100,80,60,40,20,10nm．其中，竖直紫色虚线给出了满足谐振条件[25]的极大值对应的L，依次为A1(60nm）、A2(160nm）、A3(260nm）、A4(360nm）；竖直绿色虚线给出了满足反谐振条件[25]的极小值对应的L，依次为B1(25nm）、B2(110nm）、B3(210nm）、B4(310nm）；竖直黑色虚线给出了介于谐振和反谐振的中间状态的L，依次为C1(40nm）、C2(90nm）、C3(185nm）、C4(223nm）、C5(290nm）．图2(b）中Γtot/Γair远大于1，表明金偶极天线能够极大增强点源的总辐射速率．当w取不同数值时，Γtot/Γair曲线的变化趋势比较接近，表明w对辐射速率影响较小，L是影响辐射速率的主要因素．图2(b）中，曲线极大值（A1～A4）对应的L满足谐振条件，曲线极小值（B1～B4）对应的L满足反谐振条件[25]．对于w=10nm的曲线对应的A1、A2谐振峰，以及w=20nm的曲线对应的A1谐振峰，出现了谐振峰分裂的现象．而对于文献[25]中图5(a1)～(c1）给出的金偶极天线总辐射速率随天线臂长度变化的曲线，其谐振峰没有出现分裂．文献[25]与图2(a）所示偶极天线的区别是，前者天线位于空气中，没有玻璃基底．由此推断，谐振峰发生分裂的原因是考虑了玻璃基底．当L较短、w较小时，分裂的两个谐振峰比较尖锐并且距离较远，使其能够分辨．而随着L和w的增大，分裂的两个谐振峰线宽增大，并且逐渐靠近，使其逐渐无法分辨．
【参考文献】：
期刊论文
[1]Understanding localized surface plasmon resonance with propagative surface plasmon polaritons in optical nanogap antennas[J]. Hongwei Jia,Fan Yang,Ying Zhong,Haitao Liu. Photonics Research. 2016(06)
[2]纳米光学天线性能研究进展[J]. 黄彩进,陈成,王顺文. 激光与光电子学进展. 2012(06)
[3]基于镜像法的扫描近场光学显微镜的分辨率分析[J]. 肖新元,邹文栋,黄长辉. 四川兵工学报. 2010(05)
[4]扫描近场光学显微镜的光耦合偶极子模型[J]. 吴才章,叶梅,叶虎年. 光子学报. 2005(10)
硕士论文
[1]扫描近场光学显微镜的搭建与应用[D]. 胡睿璇.南京大学 2018
本文编号：3068840
【文章来源】：光子学报. 2020,49(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
硅偶极天线归一化远场辐射速率Γrad/Γrad,0随探针端面中心x坐标的变化曲线
图1(a）是使用COMSOL软件，模拟a-SNOM照明模式下，光纤探针扫描金偶极天线结构的示意图，从上到下：灰色圆柱表示光纤探针，黄色长方体表示金偶极天线，蓝色长方体表示玻璃基底，黑色圆台表示收集物镜．取坐标原点位于天线间隙中心，设天线臂长度为L，天线横截面为边长40nm的正方形，两根天线臂之间的纳米间隙水平宽度为w，金偶极天线放置在玻璃基底上．如图1(a）所示，a-SNOM光纤探针位于金偶极天线上方，COMSOL软件中，将探针针尖处理为高度200nm的圆柱，探针端面通光孔径为100nm，外层包覆着厚度为100nm的铝膜，以避免杂散光进入探针[26]．设针尖出射端面中心在y=0、z=40nm的直线上，沿x方向扫描．本文计算取时间因子为exp(-i wt），其中w为入射光角频率，t为时间．取入射波长λ=633nm，对于该波长，金的折射率为0.18+3.00i，铝的折射率为1.37+7.62i[27]．玻璃基底、光纤的折射率均为n=1.5．利用COMSOL软件端口模式分析，计算得到的探针入射基模式在x-y平面内的电场分布如图1(b）所示，从左至右给出了电场x、y、z分量的模|Ex|、|Ey|、|Ez|，图中虚线为探针通光孔径、外层铝膜的边界．该基模式的等效折射率为neff=0.14+2.45i，为衰减最慢的模式（即模式的等效折射率虚部最小）．
式中，Re[Ex(0,0,0）]是点源位置电场x分量的实部．用点源在空气自由空间中的辐射速率Γair=ηvack02na/（12π）对Γtot进行归一化，其中k0=2π/λ，na=1是空气折射率，ηvac表示真空中波阻抗[30]．Γtot/Γair表示辐射速率的增强倍数，称为Purcell因子[31]．计算基于严格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法[30,32,33],RCWA已被广泛用于求解周期结构的电磁场，通过引入完美匹配吸收层，并构造虚拟周期，可将RCWA算法用于求解非周期结构的电磁场，相应算法也称为非周期傅立叶模式法（aperiodicFourier Modal Method,a-FMM).对于图2(a）所示的金纳米偶极天线辐射问题，图2(b）给出了归一化总辐射速率Γtot/Γair随天线臂长度L变化的曲线，不同曲线分别对应天线间隙尺寸取w=100,80,60,40,20,10nm．其中，竖直紫色虚线给出了满足谐振条件[25]的极大值对应的L，依次为A1(60nm）、A2(160nm）、A3(260nm）、A4(360nm）；竖直绿色虚线给出了满足反谐振条件[25]的极小值对应的L，依次为B1(25nm）、B2(110nm）、B3(210nm）、B4(310nm）；竖直黑色虚线给出了介于谐振和反谐振的中间状态的L，依次为C1(40nm）、C2(90nm）、C3(185nm）、C4(223nm）、C5(290nm）．图2(b）中Γtot/Γair远大于1，表明金偶极天线能够极大增强点源的总辐射速率．当w取不同数值时，Γtot/Γair曲线的变化趋势比较接近，表明w对辐射速率影响较小，L是影响辐射速率的主要因素．图2(b）中，曲线极大值（A1～A4）对应的L满足谐振条件，曲线极小值（B1～B4）对应的L满足反谐振条件[25]．对于w=10nm的曲线对应的A1、A2谐振峰，以及w=20nm的曲线对应的A1谐振峰，出现了谐振峰分裂的现象．而对于文献[25]中图5(a1)～(c1）给出的金偶极天线总辐射速率随天线臂长度变化的曲线，其谐振峰没有出现分裂．文献[25]与图2(a）所示偶极天线的区别是，前者天线位于空气中，没有玻璃基底．由此推断，谐振峰发生分裂的原因是考虑了玻璃基底．当L较短、w较小时，分裂的两个谐振峰比较尖锐并且距离较远，使其能够分辨．而随着L和w的增大，分裂的两个谐振峰线宽增大，并且逐渐靠近，使其逐渐无法分辨．
【参考文献】：
期刊论文
[1]Understanding localized surface plasmon resonance with propagative surface plasmon polaritons in optical nanogap antennas[J]. Hongwei Jia,Fan Yang,Ying Zhong,Haitao Liu. Photonics Research. 2016(06)
[2]纳米光学天线性能研究进展[J]. 黄彩进,陈成,王顺文. 激光与光电子学进展. 2012(06)
[3]基于镜像法的扫描近场光学显微镜的分辨率分析[J]. 肖新元,邹文栋,黄长辉. 四川兵工学报. 2010(05)
[4]扫描近场光学显微镜的光耦合偶极子模型[J]. 吴才章,叶梅,叶虎年. 光子学报. 2005(10)
硕士论文
[1]扫描近场光学显微镜的搭建与应用[D]. 胡睿璇.南京大学 2018
本文编号：3068840
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3068840.html
