本發(fā)明涉及輻射源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電子注耦合激勵表面等離子體激元的方法。

背景技術(shù)：

近年來，人們提出使用表面等離子體激元(surfaceplasmonpolaritons，縮寫為spps)聯(lián)合電子學(xué)與光子學(xué)產(chǎn)生輻射。基本過程在于通過平行運動電子注激勵金屬或石墨烯等承載spps的媒質(zhì)，并通過切倫科夫輻射、smith-purcell輻射等將之轉(zhuǎn)換為頻率相干、可調(diào)輻射場。表面等離子體激元被認(rèn)為是產(chǎn)生小型化、可集成、高功率密度、工作頻率范圍寬的新型輻射源的新方法。平行運動電子注對spps的激勵是其中關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，平行運動電子注激勵spps是通過電子注在金屬等媒質(zhì)表面運動以激勵spps，但存在以下不足：

運動電子注需非?？拷饘俚让劫|(zhì)表面，難以控制電子注位置，激勵spps的場幅值較低、激勵效率較低；并且，激勵的spps隨時間迅速衰減。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種電子注耦合激勵表面等離子體激元的方法，以解決現(xiàn)有表面等離子體激元spps激勵場幅值較低、效率不高、隨時間迅速衰減的問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種電子注耦合激勵表面等離子體激元的方法，用電子注激勵周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元，以激勵出的仿表面等離子體激元作為激勵源去耦合激勵媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元，從而獲得表面等離子體激元；

其中，周期結(jié)構(gòu)是由金、銀或無氧銅制成的，周期結(jié)構(gòu)包括多個重復(fù)排列的單元，并且相鄰兩個單元之間具有縫隙；媒質(zhì)元件是由金屬或石墨烯制成的薄膜。

本發(fā)明獲得表面等離子體激元spps的方式為：由電子注直接激勵媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元spps轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^電子注激勵周期結(jié)構(gòu)的仿表面等離子體激元ssps，再以仿表面等離子體激元ssps作為激勵源，激勵媒質(zhì)元件，使得表面等離子體激元spps的激勵源由電子注投射場變?yōu)橹芷诮Y(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元ssps。而周期結(jié)構(gòu)中的ssps場相較于電子注投射場要大至少兩個以上的數(shù)量級，因此，由周期結(jié)構(gòu)中的ssps作為激勵源，能夠獲取更高的場幅值。同時，周期結(jié)構(gòu)的ssps是一個持續(xù)的輸入信號，而電子注投射場僅為一個脈沖函數(shù)，這使得耦合激勵時ssps激勵源能在時間上持續(xù)不斷地耦合激勵spps，從而大幅提高spps衰減時間至300飛秒以上。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，上述方法包括以下具體步驟：

用設(shè)置在周期結(jié)構(gòu)一側(cè)的電子槍發(fā)射電子注，電子注在周期結(jié)構(gòu)上平行運動以激勵出周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元；以及

仿表面等離子體激元滲透穿過或傳播穿過周期結(jié)構(gòu)的縫隙，耦合激勵設(shè)置在周期結(jié)構(gòu)另一側(cè)的媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，上述周期結(jié)構(gòu)與媒質(zhì)元件間隔設(shè)置，周期結(jié)構(gòu)與媒質(zhì)元件之間的間隔距離等于仿表面等離子體激元的衰減深度與表面等離子體激元的衰減深度之和。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，上述媒質(zhì)元件設(shè)置于基底上。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，上述周期結(jié)構(gòu)為透射光柵、孔陣列結(jié)構(gòu)或螺旋線結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明采用電子注激勵周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元(縮寫為ssps)作為耦合激勵表面等離子體激元spps的激勵源，使激勵的spps場幅值較平行運動電子注直接激勵強兩個以上數(shù)量級，提高激勵效率；ssps持續(xù)激勵spps，使spps的衰減時間大幅度延長，達300飛秒以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作原理圖；

圖2(a)為實施例1的耦合激勵與電子注直接激勵的spps頻域的對比圖；

圖2(b)為實施例1的耦合激勵與電子注直接激勵的spps時域的對比圖；

圖3為實施例1的耦合激勵與電子注直接激勵的等效電流源對比圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

參見圖1所示出的本發(fā)明的原理圖，電子槍1在周期結(jié)構(gòu)2的上方發(fā)射電子注，用于激勵周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體ssps。周期結(jié)構(gòu)2設(shè)置在媒質(zhì)元件3的上方，并且兩者間隔設(shè)置。周期結(jié)構(gòu)2中的仿表面等離子體ssps作為激勵源，穿過周期結(jié)構(gòu)2的縫隙，去耦合激勵媒質(zhì)元件中的表面等離子體spps。媒質(zhì)元件3設(shè)置在基底4上。

周期結(jié)構(gòu)2由金、銀或無氧銅制成的，其包括多個重復(fù)排列的單元，并且相鄰兩個單元之間具有縫隙。周期結(jié)構(gòu)2可以是透射光柵、孔陣列結(jié)構(gòu)或螺旋線結(jié)構(gòu)。周期結(jié)構(gòu)2與媒質(zhì)元件3之間的間隔距離應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：要求該間隔距離使周期結(jié)構(gòu)2與媒質(zhì)元件3的耦合不會導(dǎo)致spps與ssps的色散曲線發(fā)生畸變，同時又保證ssps的能量能盡量耦合為spps。簡化一點，周期結(jié)構(gòu)與媒質(zhì)元件之間形成的間隔距離等于仿表面等離子體激元的衰減深度與表面等離子體激元的衰減深度之和。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。

為了便于描述和理解，將圖1的原理圖結(jié)構(gòu)劃分為五個區(qū)域：i區(qū)為在周期結(jié)構(gòu)上方的真空區(qū)域，電子注在此區(qū)域運動；ii區(qū)為周期結(jié)構(gòu)，其具體的結(jié)構(gòu)與參數(shù)由整體結(jié)構(gòu)確定；iii區(qū)為周期結(jié)構(gòu)與金屬薄膜之間的間隔區(qū)域；iv區(qū)為金屬薄膜區(qū)域；v區(qū)為基底。本發(fā)明所指的整體結(jié)構(gòu)，是指有前述五個區(qū)域組成的整體結(jié)構(gòu)。

實施例1：

本實施例以耦合激勵金屬薄膜中的spps為例說明，即媒質(zhì)元件為金屬薄膜，具體地，本實施例選用的金屬薄膜為銀薄膜。

本實施例電子注耦合激勵表面等離子體激元的方法，包括：

一、考察金屬薄膜的色散特性。

本實施例為銀薄膜，其薄膜厚度為50nm，其相對介電常數(shù)由drude模型描述，具體為

其中，ε∞為5.3，ωp為1.39e16rad/s，γ為3.21e13hz

此時，結(jié)合金屬薄膜的邊界條件，可以得出其中spps的色散方程如下：

其中，

d為金屬薄膜的厚度，η為真空中的波阻抗，k0為真空中平面波的波數(shù)，kspps為spps的傳播常數(shù)。

根據(jù)公式(12)，計算得到spps的色散曲線，確定其傳播常數(shù)與工作頻率的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，進一步確定spps在區(qū)域iii中垂直于傳播方向的衰減深度，有

在不影響說明該發(fā)明原理情況下，對上述公式進行簡化計算，擬認(rèn)為基底與間隔區(qū)域的相對介電常數(shù)為1。根據(jù)上述公式計算得出，對于該銀薄膜中的spps，其對稱模式的主要工作頻率在800-850thz范圍內(nèi)，其非對稱模式工作頻率在850-900thz范圍內(nèi)，其在間隔區(qū)域的衰減深度(dspps)在50-100nm范圍內(nèi)。

二、根據(jù)銀薄膜spps的色散特性設(shè)計周期結(jié)構(gòu)確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

為了使ssps能滲透或傳播至金屬薄膜表面，在本實施例中選擇透射光柵作為周期結(jié)構(gòu)。為了使周期結(jié)構(gòu)的ssps滿足耦合激勵spps的邊界條件，ssps的工作頻率同樣應(yīng)在800-850thz(對應(yīng)耦合激勵對稱模式spps)或850-900thz(對應(yīng)耦合激勵非對稱模式)范圍內(nèi)。在該頻率范圍內(nèi)，可使用無氧銅作為媒質(zhì)元件，以避免周期結(jié)構(gòu)本身材料中可能支持spps的影響(如金屬銀在該頻率范圍支持spps)。根據(jù)周期結(jié)構(gòu)邊界條件，得出其色散方程為:

其中，

kssp為ssps的傳播常數(shù)，d為周期結(jié)構(gòu)周期，a為周期結(jié)構(gòu)占空，n為空間諧波次數(shù)，d1為周期結(jié)構(gòu)上表面距離媒質(zhì)元件的高度，d2為周期結(jié)構(gòu)下表面距離媒質(zhì)元件的高度。周期結(jié)構(gòu)中ssps在間隔區(qū)域的垂直方向上的衰減深度為

同樣，在不影響說明該發(fā)明原理情況下，對上述公式進行簡化計算，認(rèn)為周期結(jié)構(gòu)占空中與間隔區(qū)域的相對介電常數(shù)為1。通過數(shù)值計算在所要求的工作頻率范圍內(nèi)，可取周期結(jié)構(gòu)的參數(shù)周期d為120nm，周期結(jié)構(gòu)中縫隙寬度a為60nm，周期結(jié)構(gòu)深度d1-d2為100nm，對應(yīng)銀薄膜中非對稱模式spps；可取周期結(jié)構(gòu)的參數(shù)周期d為120nm，周期結(jié)構(gòu)中縫隙寬度a為60，周期結(jié)構(gòu)深度d1-d2為120nm，對應(yīng)金屬薄膜中對稱模式spps。此時，由于ssps為各次空間諧波的疊加，其能量主要集中在n＝0的基波。進一步得出基波的衰減深度在50-100nm。

三、根據(jù)ssps與spps的衰減長度確定兩者的間隔距離。

根據(jù)上述計算，可取兩者衰減深度的和，即100-200nm。

四、對周期結(jié)構(gòu)與銀薄膜的整體結(jié)構(gòu)進行分析，驗證上述結(jié)構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)邊界條件，可得出整體結(jié)構(gòu)的色散方程為：

其中，

將上述結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入以上方程，通過數(shù)值計算，表面電子注在周期結(jié)構(gòu)表面激勵的ssps可耦合激勵起金屬薄膜表面的spps。

根據(jù)上述計算出的參數(shù)，用電子注激勵周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元，以激勵出的仿表面等離子體激元作為激勵源去耦合激勵媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元，從而獲得表面等離子體激元。具體地：

用設(shè)置在周期結(jié)構(gòu)一側(cè)的電子槍發(fā)射電子注，電子注在周期結(jié)構(gòu)上平行運動以激勵出周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元；以及仿表面等離子體激元穿過周期結(jié)構(gòu)的縫隙，耦合激勵設(shè)置在周期結(jié)構(gòu)另一側(cè)的媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元。周期結(jié)構(gòu)與媒質(zhì)元件之間形成的間隔距離等于仿表面等離子體激元的衰減深度與表面等離子體激元的衰減深度之和。

在本實施例中，周期結(jié)構(gòu)為投射光柵，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：周期結(jié)構(gòu)的參數(shù)周期d為120nm，周期結(jié)構(gòu)中縫隙寬度a為60nm，周期結(jié)構(gòu)深度d1-d2為100nm，對應(yīng)銀薄膜中非對稱模式spps；周期結(jié)構(gòu)的參數(shù)周期d為120nm，周期結(jié)構(gòu)中縫隙寬度a為60，周期結(jié)構(gòu)深度d1-d2為120nm，對應(yīng)金屬薄膜中對稱模式spps。

圖2(a)為本實施例的耦合激勵與現(xiàn)有的電子注直接激勵的spps頻域的對比圖；圖2(b)為本實施例的耦合激勵與現(xiàn)有的電子注直接激勵的spps時域的對比圖。從圖2(a)和圖2(b)可以看出，本實施例的耦合激勵的spps幅值較平行運動電子注直接激勵強兩個以上數(shù)量級，提高激勵效率；ssps持續(xù)激勵spps，使spps的衰減時間大幅度延長，達300飛秒以上。

圖3為本實施例的耦合激勵與電子注直接激勵的等效電流源對比圖。從圖3可以看出，耦合激勵的等效電流源較電子注直接激勵的等效電流源具有特定工作頻率與場幅值高的特點。

實施例2：

本實施例以耦合激勵石墨烯薄膜中的spps為例說明，即媒質(zhì)元件為金屬薄膜。

本實施例電子注耦合激勵表面等離子體激元的方法，包括：

一、考察待耦合激勵的石墨烯薄層中spps的色散特性。由于石墨烯薄層是一種2維材料，其厚度可視為0，在分析過程中可將其視為一個具有電導(dǎo)率σgra的薄層。

其中，μc為化學(xué)勢，kb為玻爾茲曼常數(shù)，為普朗克常數(shù)，取溫度t＝300k，弛豫時間τ＝0.5ps。

采用與實施例1相似的分析方法，得出石墨烯薄層中spps的色散方程為：

ε0ω(ε3k4+ε4k3)+jk3k4σgra＝0(22)

其中

其在間隔區(qū)域中的垂直于傳播方向的衰減深度為：

在不影響說明該發(fā)明原理情況下，對上述公式進行簡化計算，認(rèn)為基底與間隔區(qū)域的相對介電常數(shù)為1。

根據(jù)上述公式計算得出，對于石墨烯薄層的spps的工作頻率主要集中在1-30thz頻率范圍內(nèi)，其衰減深度為20-300nm。

二、根據(jù)石墨烯薄層spps的色散特性設(shè)計周期結(jié)構(gòu)確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

具體實施過程與實施例1一致，不再贅述。但由于石墨烯spps的傳播常數(shù)通常遠大于同頻率中的平面波。在設(shè)計周期結(jié)構(gòu)時，一方面可考慮使用較該頻率真空中平面波的波長小的周期d，使ssps具有較大的傳播常數(shù)，另一方面使用較深的周期深度，使ssps工作頻率在spps工作頻率范圍內(nèi)。另外，還可以使用負(fù)一次諧波參與石墨烯spps耦合，降低電子注電壓。例如，對于上述石墨烯薄層參數(shù)，在上述條件下可取周期結(jié)構(gòu)參數(shù)為：周期d為200nm，周期結(jié)構(gòu)縫隙a為100nm，周期深度為2000nm。根據(jù)相似的計算，此時ssps的衰減深度大致為200nm。

三、根據(jù)ssps與spps的衰減長度確定兩者的間隔距離。

根據(jù)上述計算，可取兩者衰減深度的和，即200-500nm。

四、對周期結(jié)構(gòu)與金屬薄膜的整體結(jié)構(gòu)進行分析，驗證上述結(jié)構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)邊界條件，可得出整體結(jié)構(gòu)的色散方程為：

其中，

h1為石墨烯薄層與周期結(jié)構(gòu)的間隔，h2為周期結(jié)構(gòu)的深度。將上述參數(shù)帶入，可在結(jié)構(gòu)整體考慮情況下驗證所設(shè)參數(shù)是否合理。通過數(shù)值計算，表面電子注在周期結(jié)構(gòu)表面激勵的ssps可耦合激勵起金屬薄膜表面的spps。

根據(jù)上述計算出的參數(shù)，用電子注激勵周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元，以激勵出的仿表面等離子體激元作為激勵源去耦合激勵媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元，從而獲得表面等離子體激元。具體地：

用設(shè)置在周期結(jié)構(gòu)一側(cè)的電子槍發(fā)射電子注，電子注在周期結(jié)構(gòu)上平行運動以激勵出周期結(jié)構(gòu)中的仿表面等離子體激元；以及仿表面等離子體激元穿過周期結(jié)構(gòu)的縫隙，耦合激勵設(shè)置在周期結(jié)構(gòu)另一側(cè)的媒質(zhì)元件中的表面等離子體激元。周期結(jié)構(gòu)與媒質(zhì)元件之間形成的間隔距離等于仿表面等離子體激元的衰減深度與表面等離子體激元的衰減深度之和。

在本實施例中，周期結(jié)構(gòu)為孔陣列結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：周期d為200nm，周期結(jié)構(gòu)縫隙a為100nm，周期深度為2000nm。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。