PDF《一维金属光栅嵌入磁性介质纳米结构下的横向磁光克尔效应的...》

800 nm 为例) 进行研究, 根据上述波矢 匹配条件, BIG介质层的厚度(h)我们定为160 nm, 金条带周期 (Λ) 选为

450 nm, 入射角 (θ) 固定为 8? . 为了使 LSP 能与波导模式在研究波段被同时激发, 通过优化, 金条带的长度 (a)与宽度 (b)分别确定为 80和50 nm. 我们利用有限元模拟软件 COMSOL MULTI- PHYSICS 的RF 模块进行模拟计算来研究设计体 147302-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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147302 系中 TMOKE 响应增强的效应. 在数值模拟中, 我 们使用Drude模型 [21] 来描述金的介电常数: εgold =

1 ? ω2 p/(ω2 ? iωωτ ), (3) 其中 ω 是入射光圆频率, ωp 是等离激元共振频 率为 1.37 *

1016 rad/s, ωτ 是衰减系数为 4.65 *

1013 rad/s. 石英衬底折射率设为 1.45. 在图

1 所 示的坐标系下, BIG 层的相对介电常数可以用一个

3 * 3的反对称张量表示: εBIG = ? ? ? ? ? εxx ig

0 ?ig εyy

0 0

0 εzz ? ? ? ? ? , (4) 其中非对角元中的 g 是旋转分量, 与磁化强度成 正比关系. 在这种情形下, TM 偏振入射的电磁 波能受到外磁场影响仅发生强度变化, 而TE 偏振 入射的电磁波不会受到 g 的影响, 因此反射或透 射的电磁波无偏振变化, 只会有光强的变化. 我 们通过改变非对角元的正负号来模拟结构磁化强 度方向的反转. BIG 介质层的相对介电常数反对 称张量中的矩阵元的数值选用实验参数 [15] , 即: εxx = εyy = εzz = 6.76 + 0.3i, g = 0.016 ? 0.008i. 在模拟计算中, 沿x轴和z 轴方向, 模型采用了周期 性边界条件, 在y 轴方向上则使用了完美匹配层.

3 结果与分析 通过上文的分析, 在我们提出的模型中, 受到 金光栅调制的波导模式对增强 TMOKE 响应起到 了至关重要的作用. 将金条带嵌入 BIG 介质层, 被 金光栅散射的电磁波可以与该磁性介质层充分地 作用, 并且更好地局域在 BIG 层中从而形成高效 的波导模式. 另外, 金条带嵌入后激发的 LSP 与波 导模式在空间分布上更加靠近, 可以形成高效的 Fano 共振, 进一步增强它们之间的耦合效率. 通 过这两方面优化, 可以使 TMOKE 响应进一步提 高. 图2(a) 和图

2 (b) 展示了当 t =

0 和80 nm 时 一维金光栅阵列修饰的 BIG 层的透射谱以及相对 应的 TMOKE 响应. 对比图

2 (a) 和图

2 (b) 可以看 出, 对应于透射谷的波长位置, 相应的 TMOKE 响 应有一个极大值. 可以看出, 与将金条带阵列放置 在BIG层表面相比, 当金条带嵌入至t =

80 nm时, TMOKE 响应值从 1.2% 增强至 3.6%, 同时结构保 持着 22.6% 的高透射率. 只有 BIG 介质层具有非 对角元g, 事实上, 这个参数的存在是产生TMOKE 的根本原因. 为了探究当金光栅嵌入至 BIG 介质 层某一位置时获得增强的TMOKE响应的原因, 我 们研究了入射光激发下样品内部电磁模式的分布. 图2(c) 和图

2 (d) 分别是 t =

0 和80 nm 时在透射 谷对应波长位置处的 z 方向磁场模 |Hz| 的场分布. 从图

2 (c) 可以明显看出, 由于 BIG 介质层表面周 期排布的金条带的作用, 入射光被耦合入BIG介质 层而形成传播的波导模式. 此时, 金条带与 BIG 界 面上的磁场得到了一定程度的增强, 这是由于单个 金条带与 BIG 界面处的 LSP 激发所致. 由于外加 磁场 B 会改变 BIG 介电常数的非对角元 g, 因此波 导本征波矢将发生相应的改变. 然而, 当金条带周 期地放置在磁性介........