日期：2022-12-02
這一顯著特征在無源和有源光學(xué)器件中都有應(yīng)用潛力。在無源光學(xué)器件中，用周期性亞波長(zhǎng)孔陣列圖案化的金屬薄膜可以表現(xiàn)出非凡的光學(xué)傳輸 ，可用于光刻和近場(chǎng)顯微鏡 [ 2–4 ]。在有源光學(xué)器件中，表面等離子體激元 (SPP) 在光-物質(zhì)相互作用中起著至關(guān)重要的作用，被提議用于修改附近有源發(fā)射層的發(fā)射特性 [ 5 ] 并導(dǎo)致更高效的發(fā)光器件 [ 6 ]]. 此外，夾在穿孔金屬膜和平坦金屬膜之間的介電腔通過消逝場(chǎng)具有很強(qiáng)的耦合效應(yīng) 。耦合相互作用在很大程度上取決于金屬膜的厚度 。
紅外發(fā)射管一、反射光譜
顯示了測(cè)量和模擬的角度相關(guān)反射光譜。較深的陰影表示較低的反射率。由于 FTIR 系統(tǒng)的限制，我們只能測(cè)量入射角為 12° 至 65° 的非偏振光的反射光譜。通過嚴(yán)格耦合波分析 (RCWA) 方法 [ 20 ]模擬了TM偏振光譜。用于給出最佳擬合的等離子體多層結(jié)構(gòu)的模擬參數(shù)是： Λ = 3000nm， fΛ = 1900nm， t g = 100nm 和t w=25納米。對(duì)于垂直入射，在 0.17eV、0.38eV 和 0.41eV 處出現(xiàn)三個(gè)共振下降。隨著入射角的增加，0.41eV 處的共振下降分成兩個(gè)下降。同時(shí)，0.17eV 和 0.38eV 處的諧振下降與入射角無關(guān)。模擬的模式與實(shí)驗(yàn)吻合得很好。
紅外發(fā)射管二、指數(shù)衰減
當(dāng)結(jié)構(gòu)是無限厚度的SiO 2襯底上的Ag光柵時(shí)，SPP的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)離SA界面呈指數(shù)衰減，如圖1中的虛線所示。另一方面，當(dāng) SiO 2襯底的下部被平坦的
Ag 層代替，在 Ag 光柵和 Ag 襯底之間留下 SiO 2平板時(shí)，SPP 模式位于 SiO 2平板的頂部和底部成為耦合。此時(shí)，夾在SiO
2層的場(chǎng)分布可以看作是兩個(gè)SA界面的兩個(gè)指數(shù)衰減SPP的線性組合。因此，可以在 Ag/SiO 2內(nèi)形成新的 SPP 模式/Ag (ASA)
接口。除了光柵耦合模式外，還有一些額外的共振反射下降，如圖 2 所示。這些共振下降顯示出非常小的角色散。
紅外發(fā)射管三、熱輻射
最后，通過在壓力為 3 mTorr 的腔室中用直流電流加熱樣品來測(cè)量等離子體多層結(jié)構(gòu)的熱輻射。裝置面積為1×1cm 2。該結(jié)構(gòu)是夾在一維浮雕金屬光柵和平坦金屬薄膜之間的SiO 2腔體。熱輻射由 NA 為 0.1 的 45° 離軸凹面鏡收集，然后反射到 FTIR 系統(tǒng)中。圖4中的實(shí)線分別是加熱到 220°C(紅線)和 260°C(黑線)的 IR 發(fā)射器的測(cè)得熱發(fā)射光譜。光譜顯示在 7.2μm 處有一個(gè)尖銳的發(fā)射峰，這與典型的黑體發(fā)射光譜有很大不同。然而，可以通過研究與角度相關(guān)的反射光譜來預(yù)測(cè)發(fā)射光譜。對(duì)于λ>>Λ的情況，器件的吸收率為(1-反射率)。根據(jù)基爾霍夫定律 [ 21 ]，發(fā)射率等于吸收率。因此，等離子體結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜可以通過將固有的熱輻射分布和角度相關(guān)的吸收率相乘來預(yù)測(cè)。
紅外發(fā)射管四、熱輻射光譜
這里，R (λ,θ)如圖2(b)所示。圖4虛線所示分別是被加熱到 220°C(紅線)和 260°C(黑線)的 IR 發(fā)射器的模擬熱輻射光譜。模擬結(jié)果顯示與測(cè)量值相當(dāng)一致。然而，測(cè)量的輻射光譜的邊帶高于模擬的邊帶。該邊帶可能來自加熱板。此外，所涉及材料的介電功能也可能在高溫下發(fā)生變化，這將導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)之間存在差異。與圖 2(b)相比，發(fā)射峰與與上述 LSPP 模式相對(duì)應(yīng)的與角度無關(guān)的反射傾角重合。值得一提的是，SiO 2內(nèi)部的熱發(fā)射光對(duì)于無光柵的情況，腔體會(huì)受到全內(nèi)反射 (TIR) 的影響。然而，對(duì)于我們提出的結(jié)構(gòu)，發(fā)射的光被耦合到 LSPP 模式，然后重新輻射到自由空間。此時(shí)，排放效率不受 TIR 的限制。這意味著角度獨(dú)立的局部 SPP 模式可以導(dǎo)致增強(qiáng)的發(fā)射峰。
紅外發(fā)射管五、光提取結(jié)構(gòu)
總之，紅外發(fā)射器的反射和發(fā)射特性是一種由浮雕金屬光柵、波導(dǎo)層和金屬基板組成的等離子體多層結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)和理論上都進(jìn)行了研究。確定了共振光柵耦合和局部 SPP 模式。觀察到在幾乎整個(gè)入射角范圍內(nèi)與角度無關(guān)的 LSPP 模式。詳細(xì)研究了反射和發(fā)射特性的關(guān)系。發(fā)射峰與 RCWA 方法模擬的與角度無關(guān)的反射傾角一致。結(jié)構(gòu)的熱輻射光譜可以通過研究反射特性來預(yù)測(cè)。我們證明該方法可用于設(shè)計(jì)有效的 LED 光提取結(jié)構(gòu)。
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