局域表面等离子体激元增强Smith-Purcell辐射

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局域表面等离子体激元增强Smith-Purcell辐射
于贝贝，胡灵犀，胡旻，刘盛纲
(电子科技大学电子科学与工程学院(示范性微电子学院"四川成都610054)
摘要：在粒子模拟仿真中，模型为完纯导体(PEC)基底加金光栅的结构，观察到了局域表面等离子体激元对Smith-Purcell 辐射的明显增强效果％在30keV电子能量激励下150nm光栅结构中，观察到在最强增强频率下功率为PEC光栅结构辐射功率的200倍以上，且该辐射具有多个较强的增强频点。

因为当单电子平行掠过光栅表面时，局域表面等离子激元被激发，而激发的局域表面等离子体激元具有多个频点％该研究对高功率、小型化、紧凑可调的辐射源的研究开发具有重要意义％关键词：局域表面等离子体激元;Smith-Purcell辐射;光栅；增强
中图分类号：O441.4文献标识码:A文章编号:1002-8935(2020)05-0051-05
doi：10.16540/11-2485/tn.2020.05.05
Enhancement of Smith-Purcell Radiation by Local Surface Plasmon
YU Bei-bei#HU Ling-xi#HU Min#LIU Sheng-gang
(.School of Electronic and Engineering(National Exemplary School of8icroelectroniss),
University of Electronic Science and Technology of China#Chengdu610054#China)
Abstract:For a model of perfect conductor(PEC)film with gold grating#the enhancement effect of lo­calsurfaceplasmon on Smith-Purce l radiationisobservedin particle simulationKIn a150nm grating structure excited by30keV electron energy#the radiation has several strong enhanced frequency points# andthepoweratthestrongestenhancedfrequencyisover200timesthanthatofthepureconductorgrating structureKWhenasingleelectronpassesthroughthegratingsurfaceinpara l el#thelocalsurfaceplasmon sexcited#andtheexcitedlocalsurfaceplasmonhasmultiplefrequencypointsKThisworkisofgreatsig-nificancefortheresearchanddevelopmentofhigh-power#compactandadjustableradiationsourcesK Keywords:Localsurfaceplasmon#Smith-Purce l radiation#Grating#Enhancement
电子束激励光栅结构会有Smith-Purcell辐射辐射波长满足如下关系式(1—3):
A=—一(―一1—cos$)(1)式中，相对电子速度-=“0/c“0是激励电子速度#是真空中的光速；n是Smith-Purcell辐射的辐射阶，该负数$是辐射方向和电子束运动的夹角。

用于产生Smith-Purcell辐射的结构具有体小、加工工艺成熟等特点#的成为开发高功率、高效率、紧凑可调的辐射源的最；择之-*%
Smith-Purcell辐射是一种独立的、非相干'性的自发辐射，其波栅，可以通过调节光栅周期和电子注能量实现Smith-Purcell辐射的调谐，因此，基于Smith-Purcell辐射的辐射源在生产成本上大的优势％但是，大的基于Smith-Purcell辐射的辐射源普遍功率不高，因此找到一种能够强Smith-Purcell辐射的方法就十分重要％
1984年,S.L.Chuang等⑷第一次在理论上提出
基金项目：国家重点研发计划(编号2017YFA0701000,2018YFF01013001)；国家自然科学基金项目(编号61701084, 61505022)
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了可以利用表面等离子体激元增强Smith-Purcell辐射，电子激励金栅#面等离子体激元，该激元在光栅上会以Smith-Purcell辐射的辐射角辐射出去，此时，表面等离子体激元就可增强Smith-Purcell辐射%2012年，张平等页设计了在完纯导体(PEC)光栅上膜的结构，在模抡
用单电子激励该光栅，银膜上的表面等离子激元增强了Smith-Purcell辐射，功率增强效果高达25倍％2015年,Jin-Kyu So等设计了上方银基底，下方光栅的结构，从银基底的上方发射电子注，获得了16倍的辐射功率增强效果％
在本文中，创新性地了PEC基底加金光栅的结构，光栅空隙处仍是PEC材料，的表面等离子体激元不能横向传播，只能局域在金块表面，称域表面等离子体激元「7—9)。

过粒子模拟仿真，模拟了该结的PEC光栅，研究了该结构下单电子激发金块的局域表面等离子体激元对Smith-Purcell辐射的增强作用，最终获得了200倍以上的辐射功率增强％
1仿真
本文主要研究了两个模型，如图1所示，模型1是PEC光栅，模型2是PEC基底加金块光栅，为突域表面等离子体激元的增强，外两
型的：光栅D_150nm，占空比d_D_0.2,光栅深度h_40nm%
图1两种模型的PEC光栅
电子平行掠过PEC光栅结构表面时，由于有周期结构的存在，会形成Smith-Purcell辐射，同时伴面波的产生(0—14);被激发的表面波沿光栅表面传播，并在法线衰减,其频率取决于电子束线栅 线的交点，但是表面波的频率不在Smith-Purcell辐射频率区域内，所以无法增强Smith-Purcel辐射%
电子束在金面运动时，会在金属中激励起表面等离子体激元，金属的介电常数可以用修正的Drude模型表示为(5-22)：
2
p____ /() Eg
"十j"!
式中，"p是金属中自由电子的等离子体振荡频率
是率无限大时金属的相对介电常数，！是平均率%
在模型2中，取金块的"p_1.2080X1016rad/ s,#g_8.9128,7=8.7894X1013Hz%由于模型2中金结构的续性，其激励起的激元是局域在金块面的等离子体激元，故无
线「23-25)，但可知该局域表面等离子体激元满足公式Re(#m)V0,所以公式(2),其频率fV 640THz。

由此可以推知，当金栅结
宜，局域表面等离子体激元频率有可能落在Smith-Purcell辐射频率内，此时，局域表面等离子体12020-05激元就可以以一定角度辐射，且辐射角度满足公式: cos0_-T1十1(3)仿真中采用相同的单电子分别平行掠过两种结构,电子 下:电子束能量30keV、电子束电荷量1.6X1019C,电子束距离光栅表面10nm。

一般言,Smith-Purcell辐射的一1次谐波是最强的，所以取@_—1,根据公式(1)，代入，理论计算Smith-Purcell辐射范围在493〜974THz。

局域表面等离子体激元频率小于640THz,在Smith-Purcell辐射内，因此理论上可以增强Smith-Purce l辐射。

图2(a)表示电子掠过PEC光栅时产生的辐射的Contour图，由图可知，这是一个典型的Smith-Purcell辐射。

图2(b)是电子掠过模型2时产生的辐射的Contour#了对#所的Contour
都的例，可以2(b)明显的辐射强#是由于域面等离子体激元的作#但 可以种辐射的辐射全统一，可能局域表面等离子体激元是单频的⑺%
为了研究局域表面等离子体激元对Smith-Purcell 辐射的增强效果以及局域表面等离子体激元的频率，在离光栅表面4500nm处设置E
z
探测器。

图3（a）是模型1的电场的频域图，辐射范围从500〜950THz,与理论计算的Smith-Purcell 辐射的一1次谐波辐射基本一致。

图3（b）是模型2的电场频域图,可以的，模型2的电场辐射强频点，分别在520、580、593.6,606THz,这几个辐射频点均在之前确定的局域等离子体激元的频率内，其中辐射最强的频点在520THz,比模型1电场增强15倍以上，功率增强225倍以上，增强效果较之前文的有极大的提高%477.6THz的峰是表面波%在时间场监视器中发现不存在反射，推测强频点都是局域表面等离子体激元带来的，为了验证，分别在率点设置频域监视器％
（a）单电子平行掠过模型1（b）单电子平行掠过模型2
图2单电子平行掠过光栅表面
图4（a）是模型1频率520THz时z方向的电场Contour图，（b）是模型2频率520THz时z方向的电场Contour图，对比可以看出（b）表面有很强的局域场,并且该场增强了辐射，这是由局域表面等离子体激元增强的辐射；（c）是模型1频率580THz 时z方向的电场Contour图，（d）是模型2频率580THz时z的电场Contour，对可以
出（d）表面强的局域场，并且该场增强了辐射，所以这也是由局域表面等离子体激元增强的辐射;同理（e）与（f）、（g）与（h）的对比，可以看出在频率593.6THz,606THz时也激励起了局域表面等离子体激元。

因此，该结构下局域表面等离子体激元是的，它能在率点增强Smith-Purcell辐射，这也与文的内合（7）%
了进一步验证强频点都是局域表面等离子体激元的频率而不是由光栅缝间谐振带来的，型3仿真％5所示，为了保证对比的严谨性，模型3的型1、2，只设置一个光栅，不设置基底，光栅深度h=40nm,长度1—a=D—D5duty=120nm%仿真中采用相同的电子能量为30keV的单电子掠过该结构，由于该结：能辐射场，故在紧贴该结构的表面设置频域电场监视器%
6是该验证模型的电场频域图，可以明显看出多个增强频点，分别为510、540、563、595THz,其强频率型2虽然有些许偏移量，但总体上保持一致，能够一一对系，这四点的Contour7所示，可以在上率激发了局域表面等离子体激元，再一次证明了强点都是由域面等离子体激元带的%
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(a)模型 1, 520 THz (b)模型2, 520 THz
(C )模型 1, 580 THz (d)模型2, 580 THz
(e)模型 1,593.6 THz
II H 怦 N A Fl I~厂
(g)模型 1,606 THz (f)模型2, 593.6 THz
(h 濮型2, 606 THz
图4模型1和模型2在不同频率时的Contour 图
单电子
图5单电子掠过单个光栅模块模型
10「
200
400
600 800
力THz
图6 Model 3 n 方向电场频谱
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图7
4个频点的Contour 图
2结论
本文用粒子 软件 了单电子
掠过
PEC 基底加金块结构时
的局域表面等离子体
激元对Smith-Purcell辐射的增强作用，在模拟中，辐射功率增强200倍以上。

该结构被激励起来的局域表面等离子体激元率，可在点增强Smith-Purcell辐射，且增强效果，对实验结地设计和材料地作用。

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RepProgPhys200770：1—87.
收稿日期：2019—11—25
作者简介:
于贝贝（1993—）,女,硕士,主
研究面等离子体激元对
Smith-Purcell辐射的增强作用；E-
mail:827123821@。

2020-05。