基于開口環(huán)陣列結構的表面晶格共振產生及二次諧波增強*

張萌徠 覃趙福 陳卓

(南京大學物理學院, 南京 210093)

理論研究了二維周期排列的金開口環(huán)諧振器的磁共振模式與周期陣列的衍射模式發(fā)生強耦合所需滿足的條件及其對二次諧波產生效率的影響.通過控制陣列結構在x 和y 方向的周期大小, 使得衍射模式只在其中一個方向產生, 當衍射模式的電場方向與入射光電場偏振方向一致時, 衍射模式才會與開口環(huán)諧振器的磁共振模式發(fā)生強耦合作用, 產生表面晶格共振進而實現(xiàn)近場場增強.在此基礎上, 進一步計算了金開口環(huán)諧振器陣列的二次諧波產生效率, 隨著陣列周期逐漸增大, 即開口環(huán)諧振器的數(shù)密度減小, 二次諧波強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢, 當開口環(huán)諧振器數(shù)密度降為原來的1/4 左右時, 二次諧波強度可以增強2 倍以上.本文的研究為金屬超表面二次諧波產生效率的提高提供了一種新的可能途徑.

1 引 言

局域表面等離激元(localized surface plasmons,LSPs)是指單個金屬微納結構表面的自由電子在特定頻率電磁波照射下發(fā)生的非傳導集體振蕩[1,2].由于其擁有將電磁能量局域在亞波長尺度的特性,從而能極大增強光與物質的相互作用, 故基于超表面的LSPs 共振在生物傳感器[3?9]、表面增強拉曼散射[10?15]、非線性增強[16?22]等領域已有廣泛的應用.然而, 金屬納米顆粒的LSPs 壽命短、衰減快,使得LSPs 的共振譜線線寬較寬, 這在一定程度上限制了對光場的局域能力.此外, 單個金屬微納結構的LSPs 共振和周期金屬微納陣列……