Резонансные характеристики пропускающих оптических фильтров на основе структур металл/диэлектрик/металл
Автор: Нестеренко Дмитрий Владимирович
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 2 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе исследуются резонансные характеристики мод резонатора Фабри-Перо, поддерживаемых слоистыми структурами металл/диэлектрик/металл, в случае поглощающих сред для падения света, близкого к нормальному. Аппроксимации поля на основе точного решения и модели передачи поля в рамках теории связанных мод позволили соотнести резонансные линии в спектрах структуры к классу резонансов Фано и Лоренца и получить аналитические выражения для константы распространения и усиления поля моды, ширины, высоты и наклона резонансных линий как функции параметров структуры. Оценка характеристик поля для измеренных спектров пропускания структур с потерями на основе алюминия и кварца позволила однозначно соотнести пики в спектрах возбуждения мод Фабри-Перо. Описание фундаментальных характеристик резонансов Фабри-Перо может найти применение в сенсорике, оптоинформатике.
Резонаторы, оптические резонансы, мода фабри-перо, слоистые структуры, аппроксимация
Короткий адрес: https://sciup.org/140247091
IDR: 140247091 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-681
Resonance characteristics of transmissive optical filters based on metal/dielectric/metal structures
The resonance characteristics of the Fabry-Pérot resonator modes supported by metal/dielectric/metal planar structures are studied in the case of absorbing media for near-to-normal light incidence. Approximations based on rigorous solution and field-transfer model for the field and resonance line shapes in spectra are attributed to the class of Fano and Lorentz resonances. The analytical expressions are obtained for the propagation constant and field enhancement of the mode, width, height and slope of resonance line shapes in spectra as functions of structural parameters. With estimation of field characteristics of the fabricated loss structures based on aluminum and quartz, the peaks in the transmission spectra can be attributed to the excitation of Fabry-Pérot modes. Fundamental characterization of Fabry-Pérot resonances may find applications in optical processing and sensing.
Список литературы Резонансные характеристики пропускающих оптических фильтров на основе структур металл/диэлектрик/металл
- Refki, S. Resolution enhancement of plasmonic sensors by metal-insulator-metal structures / S. Refki, S. Hayashi, H. Ishitobi, D.V. Nesterenko, A. Rahmouni, Y. Inouye, and Z. Sekkat // Annalen Der Physik. - 2018.- Vol. 530, Issue 4. - 1700411. - DOI: 10.1002/andp.201700411
- Li, Z. Large-area, lithography-free super absorbers and color filters at visible frequencies using ultrathin metallic films / Z. Li, S. Butun, K. Aydin // ACS Photonics. - 2015. - Vol. 2, Issue 2. - P. 183-188
- Refki, S. Anticrossing behavior of surface plasmon polariton dispersions in metal-insulator-metal structures / S. Refki, S. Hayashi, A. Rahmouni, D.V. Nesterenko, Z. Sekkat // Plasmonics. - 2015. - Vol. 11. - P. 443-440. - DOI: 10.1007/s11468-015-0047-7
- Cui, Y. Plasmonic and metamaterial structures as electromagnetic absorbers / Y. Cui, Y. He, Y. Jin, F. Ding, L. Yang, Y. Ye, S. Zhong, Y. Lin, S. He // Laser Photonics Review. - 2014. - Vol. 8, Issue 4. - P. 495-520
- Porto, J.A. Transmission resonances on metallic gratings with very narrow slits / J.A. Porto, F.J. Garcia-Vidal, J.B. Pendry // Physical Review Letters. - 1999. - Vol. 83. - P. 2845-2848
- Garcia-Vidal, F.J. Transmission and focusing of light in one-dimensional periodically nanostructured metals / F.J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno // Physical Review B. - 2002. - Vol. 66. - 155412
- Belotelov, V.I. Fabry-Perot plasmonic structures for nanophotonics / V.I. Belotelov, A.N. Kalish, A.K. Zvezdin, A.V. Gopal, A.S. Vengurlekar // Journal of the Optical Society of America B. - 2012. - Vol. 29, Issue 3. - P. 294-299
- Prêtre, Ph. Characterization of electro-optic polymer films by use of decal-deposited reflection Fabry-Perot microcavities / Ph. Prêtre, L.M. Wu, R.A. Hill, A. Knoesen // Journal of the Optical Society of America B - 1998. - Vol. 15, Issue 1. - P. 379-392
- Fabry, C. Théorie et applications d'une nouvelle méthode de spectroscopie interférentielle / C. Fabry, A. Pérot // Annales de Chimie et de Physique. - 1899. - Vol. 16(7). - P. 115-144
- Homola, J. Surface plasmon resonance sensors: review / J. Homola, S.S. Yee, G. Gauglitz // Sensors and Actuators B: Chemical. - 1999. - Vol. 54, Vol. 1-2. - P. 3-15
- Nesterenko, D.V. Resolution estimation of the Au, Ag, Cu, and Al single- and double-layer surface plasmon sensors in the ultraviolet, visible, and infrared regions / D.V. Nesterenko, Z. Sekkat // Plasmonics. - 2013. - Vol. 8, Issue 4. - P. 1585-1595. -
- DOI: 10.1007/s11468-013-9575-1
- Katsidis, C.C. General transfer-matrix method for optical multilayer systems with coherent, partially coherent, and incoherent interference / C.C. Katsidis, D.I. Siapkas // Applied Optics. - 2002. - Vol. 41, Issue 19. - P. 3978-3987
- Vaughan, J.M. The Fabry-Perot interferometer: History, theory, practice and applications / J.M. Vaughan. - New York: Taylor & Francis Group, 1989. - 604 p
- Born, M. Principles of optics / M. Born, E. Wolf. - 7th ed. - Cambridge: University Press, 2007. - 1200 p
- Звелто, О. Принципы лазеров / О. Звелто; пер. с англ. - 4-е изд. - СПб.: Лань, 2008. - 720 с
- Ismail, N. Fabry-Pérot resonator: spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency dependent reflectivity / N. Ismail, C.C. Kores, D. Geskus, M. Pollnau // Optics Express. - 2016. - Vol. 24, Issue 15. - P. 16366-16389
- Pollnau, M. Counter-propagating modes in a Fabry-Perot-type resonator / M. Pollnau // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 20. - P. 5033-5036
- He, Y. Reflection Airy distribution of a Fabry-Pérot resonator and its application in waveguide loss measurement / Y. He, D. Lu, L. Zhao // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 13. - P. 17876-17886
- Nesterenko, D.V. Asymmetric surface plasmon resonances revisited as Fano resonances / D.V. Nesterenko, S. Hayashi, Z. Sekkat // Physical Review B. - 2018. - Vol. 97, Issue 23. - 235437. -
- DOI: 10.1103/PhysRevB.97.235437
- Нестеренко, Д.В. Оценка резонансных характеристик однослойных плазмонных сенсоров в жидких средах аппроксимацией Фано в видимом и инфракрасном диапазонах / Д.В. Нестеренко, Р.А. Павелкин, Ш. Хаяши // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, № 4. - С. 596-604. -
- DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-596-604
- Nesterenko, D.V. Fano approximation for coupled modes in metal-dielectric multilayer structures / D.V. Nesterenko // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1368, Issue 5. - 052046. -
- DOI: 10.1088/1742-6596/1368/5/052046
- McPeak, K.M. Plasmonic films can easily be better: Rules and recipes / K.M. McPeak, S.V. Jayanti, S.J.P. Kress, S. Meyer, S. Iotti, A. Rossinelli, D.J. Norris // ACS Photonics. - 2015. - Vol. 2, Issue 3. - P. 326-333
- Malitson, I. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica / I. Malitson // Journal of the Optical Society of America A. - 1965. - Vol. 55, Issue 10. - P. 1205-1209
- Kazanskiy, N.L. Plasmonic sensors based on Metal-insulator-metal waveguides for refractive index sensing applications: A brief review / N.L. Kazanskiy, S.N. Khonina, M.A. Butt // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. - 2020. - Vol. 117. - 113798. -
- DOI: 10.1016/j.physe.2019.113798
- Soifer, V.A. Diffractive nanophotonics and advanced information technologies / V.A. Soifer // Herald of the Russian Academy of Sciences. - 2014. - Vol. 84, Issue 1. - P. 9-18. - 10.1134/ S1019331614010067
- DOI: 10.1134/S1019331614010067
- Emelyanov, S.V. Differentiating space-time optical signals using resonant nanophotonics structures / S.V. Emelyanov, D.A. Bykov, N.V. Golovastikov, L.L. Doskolovich, V.A. Soifer // Doklady Physics. - 2016. - Vol. 61(3). - P. 108-111. -
- DOI: 10.1134/S1028335816030022
- Doskolovich, L.L. Resonant properties of composite structures consisting of several resonant diffraction gratings / L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, D.A. Bykov, N.V. Golovastikov, V.A. Soifer // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 18. - P. 25814-25828. -
- DOI: 10.1364/OE.27.025814
