表面等离激元线光栅的有限元法研究(3)
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【摘要】圆圈表示光栅常数为300 nm,三角形表示光栅常数为400 nm,红色表示银光栅,蓝色为金,绿色为石墨烯图5光栅常数不同时银、金、石墨烯表面光栅镜面反射
圆圈表示光栅常数为300 nm,三角形表示光栅常数为400 nm,红色表示银光栅,蓝色为金,绿色为石墨烯图5光栅常数不同时银、金、石墨烯表面光栅镜面反射系数随入射角的变化
图6为TM波光栅常数不同时银、金、石墨烯表面光栅镜面反射系数随入射角的变化。
(圆圈表示光栅常数为300 nm,三角形表示光栅常数为400 nm,红色表示银光栅,蓝色为金,绿色为石墨烯)图6光栅常数不同时银、金、石墨烯表面光栅TM波镜面反射系数随入射角的变化
从图6中可以看出,TM波表面光栅镜面反射系数R0都随入射角的变化情况较复杂。对于金和石墨烯来说,一开始镜面反射系数逐渐减小,在50°左右镜面反射达到最小值,随后随着入射角的增加而增加,80°左右急剧增加,这应该也是由于材料界面上存在反射。同样从图中可以看出,对于TM波,3种材料对比发现石墨烯材料的镜面反射系数最小,具有很强的局域场强增强特性,是优良的光栅表面等离激元材料。
以光栅常数为300 nm时Au为例,计算得到TE波入射和TM波入射时的透射、反射系数及吸收如图7所示。
(a)TE波
(b)TM图7波入射时的透射和反射系数
从图7中可以看出,对于所讨论的波长与周期长度的比率,只有当光束几乎垂直入射时,才会传播透射衍射光束T-1。不管是TE波入射还是TM波入射时,所有系数之和始终小于 1,这主要是因为导线中存在介电损耗,当TM波入射时这种情况更加明显。从图7还可以看到,大约一半的波被导线吸收。从图中还可以看出TM波在50~60°附近几乎不发生镜面反射,这是TM波的另一个重要特征。
3 结 论
本文使用COMSOL对光栅特性进行仿真建模,通过对选定入射角的多个光栅周期的电场模拟、入射波矢及所有反射和透射模式的波矢,以及反射率和透射率。对平面电磁波入射到电介质基板的线光栅上,计算光栅的透射和反射系数、折射系数、镜面反射和一阶衍射随入射角的变化。
研究结果表明:
(1)银、金及石墨烯3种不同材料在不同入射角时,横电波TE波电场模的强度随入射角的增大而增大,而横磁波TM波的强度总体来说都比TE波小,入射角对其强度影响不大,3种材料比较发现,石墨烯材料的TE波和TM波强度都较大,是优良的等离激元光栅材料。
(2)通过对金、银、石墨烯3种材料的对比研究,可以看出,光栅常数小时,等离激元光栅表现出较好的特性。并且石墨烯相对于金属金和银,具有更优良的光栅特性,用来做光栅材料具有非常好的性质。如果从波长与周期长度的比率的角度来观察,可以发现,只有当光束几乎垂直入射时,才会传播透射衍射光束T-1。不管是TE波入射还是TM波入射时,所有系数之和始终小于 1,这主要是因为导线中存在介电损耗,当 TM波入射时这种情况更加明显,大约一半的波被导线吸收。TM 波的另一个重要特征是50~60°附近几乎不发生镜面反射。
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文章来源:《反射疗法与康复医学》 网址: http://www.fslfykfyx.cn/qikandaodu/2021/0726/543.html