بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با شبیه سازی نشان میدهیم که آرایه ای دوبعدی از نانو آنتن های صلیب شکل مبدل قطبش نور در حالت انعکاس هستند. در اینجا طراحی نانوساختار به شکل متقارن عاملی شده است برای اینکه نور فرودی دارای قطبش خطی در حالت انعکاس ، قطبش دایروی از خود بروز دهد. در این کار با محاسبه فرکانس های تشدید نور فرودی قطبیده خطی در راستای محورهای تقارن نانوساختار و با تحلیل نمودار توزیع فاز بین دو مد تشدید برای نور فرودی با زاویه قطبش خطی 45 درجه می توان به تغییر قطبش نور انعکاسی نسبت به حالت فرود صحه گذاشت.
مقدمه
کنترل قطبش نور در حوزه وسیعی از کاربردهای اپتیکی حیاتی است. عموما برای تبدیل و چرخش قطبش نور بیشتر از صفحات موج مواد دوشکستی و توری های اپتیکی استفاده میشود. اما اخیرا نشان داده شده است که ساختار های پلاسمونیک و یا فراماده ها قابلیت های فوق العاده ای در کنترل و دستکاری حالتهای قطبش نور از خود بروز میدهند برای مثال میتوان فراماده ها با فعالیتهای اپتیکی بالا و مواد دورنگی با قطبش دایرهای را نام برد. اما در میان این ساختارها ، نانوآنتنهای پلاسمونیک اهمیت قابل توجهی را اخیرا به خود جذب کرده اند. از جمله آن ها می توان از نانو آنتهای بیضی شکل ، -Lشکل و نانوساختارهای متقاطع-شکل نام برد که برای ساخت از تکنولوژِی باریکه یونی متمرکز - - FIB بهره گرفته اند .
نانوآنتنهای پلاسمونی صلیب-شکل
نانوآنتن مورد استفاده برای شبیه سازی در این کار از نوع ساختارهای پلاسمونی میباشد بدین معنی که لایه های مختلف این نانوساختار به شکلی در نظر گرفته شده است که در اثر برهمکنش یک موج الکترومغناطیسی، مدهای پلاسمون سطحی جایگزیده LSPs در فصل مشترک مابین فلز و دی الکتریک پدید میآیند .
در شکل - 1 - نمایی از هندسه کلی ساختار مدلسازی شده برای یک نمونه خاص - a - نشان داده شده است. برای طراحی نانو انتنهای پلاسمونیک صلیب شکل به ترتیب یک لایه با ضخامت 50 نانومتراز جنس نقره بروی 15 نانومتر لایه نازک دی الکتریک AL2 O3 قرار گرفته است. سپس یک لایه 10 نانومتری NiCr و 100 نانومتر فیلم نقره برروی یک بستر سیلیکون قرار داده شده است. برای طراحی این نانوساختار ، صلیب های نقره گون با تکنیک لایه نشانی - Atomic Layer Deposition - ALD بروی لایه دی الکتریک قرار میگیرند که نمونههای مختلف مشابه این ساختار سابقا در آزمایشگاهها در ابعاد نانومتری طراحی و ساخته شده است برای مثال در این زمینه میتوان به نانو
آنتنهای پلاسمونی بیضی گون اشاره کرد .
شکل:1 طرح کلی از هندسه یک نمونه - a - نانو آنتن صلیبی که.پارامترهای P، L وR به ترتیب 30 ، 150و 500 نانومتر هستند.
فرکانس موج فرودی تابیده شده به این ساختار در محدوده تراهرتز و طول موج نور بکار برد شده در بازه 600- - - 1300نانومتر است و طول موج نور تابشی بزرگتر از ابعاد نانو ساختار است و لذا این شرط تحریک LSP ها را بروی
سطح دی الکتریک-فلز در پی دارد. همچنین ترکیب مواد بکار برده شده در نانو آنتن به نحوی است که موج خروجی تنها دارای طیفهای جذب و انعکاس در این ناحیه فرکانسی است و شدت میدان الکتریکی عبوری ناشی از آن صفر است.
مدهای تشدید
بررسی وضعیت مدهای تشدید در طیف انعکاسی ساختار تحت زاوایای مختلف فرود، اولین جنبه مبین تبدیل قطبش نور ناشی از یک نانوساختار میباشد. مطالعات شبیه سازی انجام شده در این زمینه نشان میدهد که بدلیل تقارن ذاتی ساختار برای قطبش نورخطی تحت همه زوایای فرود مدهای تشدید بوجود میآیند، به همین دلیل تبدیل قطبش مستقل از زاویه قطبش فرود و انعکاس فهمیده میشود. در واقع میتوان گقت پدید آمدن مدهای تشدید در یک نانو ساختار وابسته به طراحی هندسه تقارنی آن میباشد. و غالبا این ساختار ها قابلیتهای تبدیل کنندگی را در این مدها را از خود به خوبی بروز میدهند.
در اینجا ما برای اندازه گیری طیف انعکاسی از یک قطبشگر و برای دریافت نور خروجی از یک تحلیلگر وضعیت قطبش استفاده میکنیم. سپس برای محاسبه فرکانس های تشدید ، جهت تابش نور فرودی در راستای Z و قطبش آن در راستای محورهای اصلی ساختار - - x,y در نظر گرفته می شود. در این حالت در شبیهسازی برای بدست آوردن طیف انعکاس، زاویه قطبش تحلیگر و قطبشگر 1 = - - 2یکسان میباشد.
در این پژوهش برای بدست آوردن دقیق این مدها از نرم افزار تجاری قدرتمند CST استفاده شده است که معادلات ماکسول را به شیوه انتگرال گیری جزیی محدود - FEM - حل میکند.[4] در اینجا ثابت دی الکتریک نقره با استفاده از مدل درود تعریف شده است و ε =ε∞ − 2/ - − - که در آن ε∞ = 3.57 و ω = 1.388 × 1016 / وω = 1.064 × 1014 همچنین گذردهی الکتریکی اکسید آلومینیوم ثابت و برابر 2.4 است که بعنوان پارامترهای ورودی نرم افزار داده شده اند.
شکل - 2 - نتایج بدست آمده برای طیف انعکاسی یک نمونه نانو آنتن با دوره تناوب 500 نانومتر را نشان می دهد. نمودار آبی رنگ نمایانگر طیف انعکاس تحت زاویه قطبش فرودی صفر و نمودار قرمز رنگ تحت زاویه قطبش 90 درجه میباشد. همانطور که دیده میشود نمونه - a - برای قطبش در راستای x و 0 - y و90 درجه - دارای دو مد تشدید اصلی در طول موجهای 697 و1049 میباشد. که به ترتیب مد های اصلی | ⟩ و | ⟩ نامیده میشود.
که این دو به روشنی مبین تغییر وضعیت قطبش با شدت نور بازتابی قوی میباشند.لازم به ذکر است که در طیف انعکاسی ساختار در فرکانس 630 نانومتر نیز یک تشدید با درصد بازتابشی معادل 0.8 دیده می شود، که مد انعکاسی حاصله از آن را نیز | ⟩ می نامیم.
تصاویر توزیع میدان شبیه سازی شده و دو قطبی های ایجاد شده در فرکانس های تشدید ساختار ، برای نمونه a در شکل - - 3 نشان داده شده است. که در اینجا انتقال بار الکتریکی به لبه ها خود مبنایی برای تغییر فاز میدان الکتریکی در راستای محورهای تقارن و ایجاد دوقطبی ها میباشد. همانطور که در شکل - - 3 تصویرچهارم نشان داده شده است برای قطبش نور تحت زاویه 45 دو قطبی های توزیع بار در هر دو مد تشدید حول محور های اصلی پدید آمده اند.
شکل :2 طیف انعکاسی محاسبه شده برای نمونه a از یک نانوآنتن صلیبی - Al2O3 - در فرکانس های تشدید برای نانوآنتن صلیبی با تناوب به ترتیب 500 اختلاف فاز
شکل :3 توزیع های میدان الکتریکی - - Ez در صفحه دی الکتریک
