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第 1 页共 5 页 塔姆等离激元对横向磁光克尔效应的显著增强效应
目录
1. 研究背景 .................................................................................................................................... 1 2. 研究内容 .................................................................................................................................... 1 3. 结论与展望 ................................................................................................................................ 4
1. 研究背景 磁性材料结构的反射强度可以由外加磁场来控制。通常，对于倾斜入射的TM 偏振光，反射强度会随着外加磁场方向的反转而改变，这种现象被称为横向磁光克尔效应(TMOKE)。TMOKE 因为其在数据存储、传感、光学等领域的应用潜力，近年来引起了广泛关注。然而，在自然界的磁性介质中，TMOKE相对较弱，为了充分发挥上述应用潜力，对 TMOKE 的增强具有重要意义。
2. 研究内容 山东高等技术研究院吴小虎教授与安徽工程大学吴俊副研究员合作，提出了一种磁性介质和非磁性介质的交替性多层结构(图 1)，以金镜面作为底层部分，基于周期性光子晶体结构激发的塔姆等离激元(TPPs)，实现了 TMOKE 的巨大增强。
第 2 页共 5 页 图 1 所设计的用于增强 TMOKE 的磁光晶体结构示意图。
经过优化设计，所提出结构的优化几何尺寸为：h1=9.794μm，h2=0.979μm，θ=56.17◦ 。图 2 显示了正向和反向外加磁场下反射率 Rpp 以及TMOKE 随入射角的变化。当入射角为 56.17◦ 时，可以观察到一个巨大的TMOKE 信号(约−0.982)。此外，TMOKE 曲线还表现出超尖锐的类 Fano 特征。
图 2 反射率 Rpp(+M)和 Rpp(-M)以及 TMOKE 随入射角的变化。
为了定性地揭示 TMOKE 的显著增强背后的物理机制，图 3 中计算了入射角为 56.17◦ 时的归一化磁场的分布。当波长为 1.55μm 时，电介质多层膜与金反射镜之间的界面磁场强度明显增强(>5)，并随界面位置迅速下降，这表明TPPs 的激发。因此，磁场的增强可以显著提高结构中的光吸收，从而实现了TMOKE 的显著增强。为了证实这一结论，图 4(a)中显示了结构中模拟的光吸收随入射角的变化，可以看出，在激发 TPPs 的相同入射角下，在结构中实现了接近完全的光吸收。说明结构中磁场的强限制将导致完美的光吸收，从而实现 TMOKE 的增强。图 4(b)分别单独考虑了磁光多层结构(记为 PhC)和底部金镜面在不同入射角下的反射率，显然，在入射角为 56.17◦ 时反射较强，特别是底部金镜面，这进一步证明了 TPPs 在底部边界的激发。
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图 3 归一化磁场 Hy 在入射角 56.17◦下的绝对值分布，(a)二维分布；(b) 沿 z 轴的振幅分布。
图 4 (a)吸收率随入射角的变化；(b)PhC 和底部金镜面的反射率随入射角的变化。
最后，本文研究了 TMOKE 的角光谱分布随入射介质折射率 n 的变化(图 5)，并评估了 TMOKE 的增强在传感方面的潜在应用(图 6)。
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图 5 TMOKE 随入射角的变化，入射介质的环境折射率(a) 从 1 变化到 1.05；(b)从 1.33 变化到1.38。在环境为(c)气体和(d)水中，角度峰值的对应位置与入射介质折射率的变化的关系。实心点表示入射介质不同折射率下达到 TMOKE 最大值的入射角，虚线是对这些数据的线性拟合。
图 6 计算出的传感性能参数 FoM 随入射角的变化， (a)气体介质，折射率 n 为 1~1.05，(b)水介质，折射率 n 为 1.33~1.38。
3. 结论与展望 综上所述，本文研究了通过在金属镜上沉积磁性介质和非磁性介质多层结构来实现 TMOKE 的显著增强。结果表明，由于多层结构和金属镜之间的 TPPs的激发，实现了接近完全的 TMOKE，并通过分析产生共振时磁场的分布，证
第 5 页共 5 页 实了这一点。此外，所提出的系统对气体和水介质都具有很高的灵敏度。这些结论有望促进具有高灵敏度、三维成像和数据存储的新型传感器的发展。
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