使用表面等离子体激元极化来改善弓形孔的近场限制外文翻译资料

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使用表面等离子体激元极化来改善弓形孔的近场限制

Bowtie孔径已被证明可以实现特殊的传输，并为近场应用（如数据存储，近场扫描光学显微镜（NSOM）和纳米光刻技术）产生限制光纤的光点。 一个蝶形孔如图1（a）所示，其由弓形孔的两个尖端之间的间隙确定，可以设计成产生如图1（b）所示的限制光束的光点。 磁场强度在领结的差距性是比入射场高出几个数量级 此外，一排弓形孔可以产生用于感测和平行过程的多个光点.然而，超过耳环孔表面的场受到强烈的发散。 因此，弓箭的工作距离仅限于此非常近场。 弓形孔通常用于与另一个表面接触以获得亚分裂点在这项工作中，我们研究了一种通过围绕金属膜出射侧的同心槽来减小孔口的近场散度的方法，如图1(c)所示。表面等离子体激元（SPPs）被弓箭上的入射光激发。凹槽部分地反映SPP并且散射到弓，从而改变场发散。当设计合理时，这些凹槽有效地减小了传播场的斑点尺寸。应当注意，可以通过在入射侧放置波纹来增强弧形孔的传播，作为收集更多光的感觉。这些光栅在提高透射率方面是有效的，但不适用于窄场浓度。

图（1）一个bowtie孔径的示意图。其距离表面的距离为10nm处的相应的。 改进后的蝴蝶结孔与全圆形凹槽（c）和薄膜出口侧的部分圆形凹槽(d)。

已经提出在金属膜的出口侧的槽处获得远场准直和亚波长孔径或狭缝的聚焦.这些设计中的大多数都是基于SPP散射和远场干扰。每个凹槽将SPP波散射到由孔径或狭缝的移动距离指定的相位延迟的传播波。通过调整凹槽的相对位置，可以通过散射SPP的相位匹配来获得聚焦。然而，这种远场聚焦基本上将光斑尺寸限制在衍射极限。也可以在狭窄的狭缝中刺激SPP。等离子体透镜可以设计成干扰从中心狭缝出现的SPP，以产生近场中的点。在这里，我们研究SPP如何进一步减少近场距离弧形孔的距离在100nm的距离内从出口表面。对于不需要近场光学元件与与光相互作用的表面的接触的许多应用，期望超出出射面的小的近场光斑。例如，它将在纳米光刻，数据存储和NSOM.2中提供更多的定位公差和设计空间

我们首先研究二维的行为（2D）狭缝槽结构，提供了理解 PP与分散近场的相互作用，有助于设计更强大的计算三维拱结构。使用有限元求解器HFSStrade;进行所有模拟.网格尺寸是自适应的，临界区域具有2nm的最小网格大小在石英衬底上的100nm厚的铝膜中的30nm宽度的狭缝被TM偏振400nm波长平面波照射。由于表面凹槽设计成将光集中在近场中，凹槽的位置均匀分布。对于参数研究，槽的周期性以25nm的增量在50和600nm之间变化。槽的深度固定为膜厚的一半（50nm），槽的宽度为周期的一半。为了简单起见，间隙距离设定为等于周期。图2（a）和2（b）比较了狭缝（仅）和狭缝与沟槽的电场分布。显然，与单个狭缝相比，沟槽在传播方向上形成一个方向的场。图2（c）绘制了狭缝的半宽度（FWHM），其中凹槽与单个狭缝的沟槽的规格一致，作为沟槽周期的函数。在200和400 nm附近的周期性显示出明显的FWHM降低高达40％。衰减的FWHM每200nm的周期性重复接近SPP波长（hSPP）的一半，对于Al /空气界面，其为391nm。

在这些周期性的情况下，凹槽产生与SPP波长匹配的驻波。这些独特的波浪和狭缝中的新兴领域的叠加导致了一个狭隘的领域。当改变膜和介质材料时，我们发现最佳周期取决于作为自由空间波长，金属膜和介质特性的函数的SPP波长。

我们对hSPP / 2的优化周期与通过凹槽的远场准直的结果不同，因为其中减少近场约束的机制不同于远场准直中的衍射。对于远场准直，每个槽产生的波的相对相位差为2u，以实现建设性干扰。这相当于hSPP的槽间距。另一方面，为了将光聚焦在近场中，由于SPP最初在狭缝处被激发并且行进到凹槽，所以当波传播并从凹槽反射时。

仔细检查图。图2（b）表示SPP波在每个凹槽的边缘被激发，较强的场位于与中心狭缝更近的边缘处。因此，这些边缘和中心狭缝之间的距离对叠加场的影响最大。另一方面，凹槽的宽度控制在每个凹槽的两个边缘处产生的SPP的相对相位。凹槽的深度也影响SPP的相对相位。对于更深的凹槽，SPP在沟槽内传播并反射较长的距离，导致相位延迟增加.在我们的情况下，膜厚度远小于波长，因此凹槽深度影响较小。接下来，我们考虑如图1所示的由中心凹槽包围的弓形孔。 1（c）。在我们早期的研究中，优化了弓形孔的几何形状，以实现400nm波长的谐振条件和最大透射率。以下参数用于bowtie孔径，长度为45°角的全侧为100nm，间隙为30nm，这是使用聚焦离子束铣削容易制造的尺寸。蝴蝶结是由沉积在石英基片上的100nm厚的铝膜制成。这些凹槽的周期为200nm，深度为50nm，宽度为100nm，弓形（凹槽）（中心到中心）的距离为200nm。弓形孔径沿着y方向以400nm波长的平面波偏振激发。

图(2).归一化电场分布从一个单缝(a) 和用200nm周期的出口槽切割(b)。 箭头表示光照射方向.FWHM结构在归一化作为槽周期的函数。该狭缝被400nm波长的线偏振光照射。

计算结果表明当凹槽存在时沿着y方向的较小的光点。图3比较了具有和不具有凹槽的场分布。由于在y方向上具有较大尺寸的强偶极场，单个的蝴蝶结会在出射平面之外产生椭圆形点。这种不对称性在较长距离上变得更严重，如图1和2所示。 3（a）-3（c）。当存在凹槽时，SPP被部分地反向朝向bowtie反射。周期接近SPP波长的一半，反射的SPP与传播场叠加。所产生的FWHM沿着y轴较小，并且点变得显着更对称。在距离表面20-100nm的距离处，y方向的FWHM减少了15％-35％。

由于凹槽仅沿y轴产生强烈的影响，我们还研究了如图1（d）所示的部分凹槽。

图4比较了如图1所定义的不同沟槽覆盖角的弓形槽结构。它表明，45°角的部分槽与全槽有效，以减小光斑尺寸。角度小于45°的凹槽反映较少的SPP，导致较少的在现场监禁。图4还显示，在60-80nm的距离处，凹槽是最有效的，并将FWHM降低35％。在小于20nm的距离处，由弓形产生的场强非常强，使得FWHM较少受到SPP的影响，类似于二维凹槽的情况。图4显示，由于缺乏SPP，x方向的尺寸基本上不受影响。总之，我们提出了一种方法，用于减少由弓形孔径产生的减小限制斑点的近场发散，使用从围绕孔口的凹槽反射的SPP。 近场限制是基于中心场和反射SPP的叠加。结果证实，二维狭缝槽的斑点减少多达40％，弓形槽结构的斑点减少了35％。这种方法尤其适用于沿着偏振轴发散强的弓形孔，产生更对称的光斑。这些简单的添加使得bowtie孔眼对于近场应用是更有吸引力的装置，其中弓形孔和另一表面之间的直接接触是不期望的。图(3)电场分布的比较单蝶形孔(a-c)和具有圆形槽的bowtie孔（d-f），工作距离为20,50和100nm。 弓形孔被平面波激发，其平面波的电场沿着y轴线性偏振。图。 4.沿着y方向和x方向插入的的FWHM一个由不同角度覆盖的凹槽包围的一个领结和一个蝴蝶结。

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