关键词：等离子体超材料（Plasmonic metamaterials）；表面等离子体共振（Surface plasmon resonance）；法布里-珀罗共振（Fabry-Perot resonance）；金属孔阵列（Metallic hole array）；多功能红外传感（Multifunctional infrared sensing）
研究背景
等离子体超材料是设计具有独特光学性质的材料，能够操控和控制电磁波，尤其是在可见光和红外区域。这些材料通过调节表面等离子体和光学性质实现新颖的共振和色散特性，被积极研究以应用于光学传感、成像、能量收集、数据存储、隐身、通信、医学成像和治疗等领域。表面等离子体共振是指入射光与金属表面上自由电子共振产生的电磁波现象，这一现象发生在介质和金属材料（如金和银）之间界面上。
目前，研究者们正在将表面等离子体共振现象整合到红外传感器中，以创建多功能红外传感器。过去的研究已经制造了包括金属孔阵列（MHA）结构在内的各种类型结构，并将它们应用于红外传感器以评估其性能。然而，红外传感器上的光不仅垂直入射，还从不同方向入射，且入射光的角度会根据相机镜头的性能而变化。此外，表面等离子体共振现象不仅依赖于偏振，还依赖于传感器的结构，因此需要相应地进行分析。
研究内容
在本项工作中，作者调查了由金属孔阵列（MHA）在介质层（BCB）上形成腔体，以及在金属基底平面（MGP）上的纳米结构吸收体的共振行为。通过改变BCB层的厚度，研究者们在不同条件下分析了共振光谱。模拟揭示了MHA-BCB-MGP结构内表面等离子体和法布里-珀罗共振之间的复杂相互作用。研究发现，随着介质厚度的变化，共振峰发生移动，展现出诸如Rabi分裂和分叉等现象。这些特征在横向磁极化下尤为明显，表明了不同共振模式和偏振态之间的复杂相互作用。此外，MHA直径的变化影响了表面等离子体或法布里-珀罗共振的主导性，展示了结构与共振行为之间的复杂关系。
图文导读
图1.将SP耦合腔系统分为三种结构，分析了每种结构的反射特性。(a)二维MHA-BCB结构。(b) MHA-BCB-MGP（闭合边界）。(c) Air-BCB-MGP（开放边界）。颜色图上的图像显示了每个结构的单元格和共振波长公式。（为了解释这个图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）
图2.表面等离子体耦合腔系统的模拟反射率。SP-FP系统的模拟反射率色图(p = 3.2μm；Dm = 1.6μm；Tm = 0.05μm；tMGP = 0.2μm)是波长和BCB厚度ts（从0.32μm变化到4.52μm，步长为0.2μm）的函数。插图显示了SP-FP系统的单晶胞示意图。（为了解释这个图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）
图3. (a) - (c) SP-FP体系制备过程示意图。(a)旋转镀膜机沉积在MGP样品上的BCB层（ts = 0.32、1.22、1.52、1.7和2.12μm）；tMGP = 0.2μm)。(b)通过光刻技术在BCB-MGP样品上形成周期性圆形后光刻胶图案（p = 3.2μm）。(c)电子束沉积（5 nm的Ti和50 nm的Au）和提离处理后。(d)和(e)分别是(b)和(c)的SEM侧视图。
图4. BCB厚度与MHA直径的颜色图((a) dMHA= 0.3p,（b) dMHA = 0.5p, (c) dMHA= 0.7p）。散射表示FP（紫色）和SP（蓝色）共振的倾角波长。（为了解释这个图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）
图5.计算了不同BCB厚度（ts = 1.32, 1.52, 1.82μm）下样品沿z方向的Ez强度分布。(a) SP共振和FP共振的电场强度图分别以实线和虚线表示。(b)代表各厚度处SP和FP共振波长的xz平面（y = 0）截面的Ez强度。
图6.（颜色）TM和TE模式下反射光谱的模拟角色散。虚线为SP(红色：（i = 0,j =±1）；绿色：（1，±1）；黄色:(+ 1,0);品红色：（−1,0）)和FP共振(蓝色：闭合边界；紫色：开放边界)位置。（为了解释这个图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）
图7. (a)模拟与实验的反射率随角度（θ= 30◦）随BCB厚度的变化对比。插图说明了测量样品时光线入射的角度。模拟和实验反射光谱的倾角波长(（b) TE模式，(c) TM模式）。虚线表示SP和FP共振。
结论与展望
综上所述，通过数值模拟和实验验证，阐明了这些结构中表面等离子体和法布里-珀罗共振之间的复杂相互作用。特别是在TM偏振下，共振分裂现象更为显著，表明了不同共振模式和偏振态之间的复杂相互作用。MHA直径的变化影响了表面等离子体或法布里-珀罗共振的主导性，揭示了结构与共振行为之间的复杂关系。在不同偏振和入射角度下的反射光谱显示了模拟与实验结果之间的一致性，验证了提出的模型。这项研究为MHA-BCB-MGP吸收体的设计原则和性能表征提供了宝贵的见解，为它们集成到下一代红外传感技术中铺平了道路。
参考文献：J. Jeon, H.J. Kim, B.S. Chun, S.J. Lee, Interplay of surface plasmon and Fabry-Perot resonances in metallic hole arrays on dielectric layers. Current Applied Physics 69, 81–87 (2025).
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.cap.2024.11.006
来源：微纳光学
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