CN102135695A

CN102135695A - 基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件

Info

Publication number: CN102135695A
Application number: CN 201010608279
Authority: CN
Inventors: 姚凤凤; 裴延波; 刘海; 孙秀冬
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-07-27

Abstract

一种基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件，属于微纳米光子学技术领域。解决了在毫瓦量级的输入功率下实现非线性SPPs(表面等离子体激元)问题，并提出了一种基于掺杂电荷产生剂的液晶非线性材料的非线性SPPs集成的技术方案。该器件能够利用空间光通过棱镜在金膜和向列液晶的界面上激发SPPs，该SPPs通过界面电荷和向列液晶反馈作用实现的非线性特性可以通过测量棱镜耦合输出的光信号来获得。本发明提出的基于界面电荷和向列液晶的非线性SPPs的机制和实现方案在未来的集成光电子芯片中具有实际的应用价值。

Description

基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件

技术领域

本发明属于微纳米光子学领域，尤其涉及一种非线性表面等离子体激元器件。

背景技术

近几十年来，人们一直努力用光子学集成回路代替集成电路以满足日益增长的信息交换和处理需求。然而光学衍射极限使得光子学元件的尺寸始终徘徊在微米量级，无法实现与电子芯片相当的高集成度。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，简称SPPs)是金属与介质界面传播的电磁波与自由电子振荡的耦合模式。它能够把光波限制在远小于波长的尺度内传播，打破了传统光学的衍射极限，从而实现高集成度的光电子芯片。此外，金属结构的SPPs在高灵敏探测、太阳能电池、发光等领域的应用也受到了很大的重视。人们已经在各种SPPs元件的研制上取得了很大的进展。人们已经提出并实现了SPPs耦合器、波导、反射镜、分束镜、激光器、放大器和探测器等SPPs集成元件。然而，在芯片中实现对SPPs控制和处理的开关、调制器等主动非线性器件的研究却进展缓慢，这是因为人们还没有找到在弱光强下具有大的非线性且便于集成的材料以及实现非线性器件的机制。目前，人们把硅作为集成非线性光学器件的基础展开了大量的研究，已经设计出各种基于硅的非线性光学元件。这是因为硅可以天然地利用目前成熟的集成电路工艺和生产线。但是硅材料弱的非线性效应使得这些器件的性能一直难以达到要求。传统的非线性光学材料例如铌酸锂等无机晶体虽然具有可观的非线性，但是无法与目前的集成电路工艺兼容从而很难实现集成。另外，人们还尝试利用有机非线性材料与金属的复合结构来实现非线性SPPs器件。驱动该类器件工作需要达到瓦级的大输入功率。因此人们迫切的需要寻找在弱的输入功率下能产生大的非线性效应且便于集成的材料及非线性器件。

发明内容

本发明的目的是，提供了一种新的、基于掺杂电荷产生剂的向列液晶的、能够实现SPPs的非线性效应的机理和器件结构，可实现非线性SPPs的输入功率从目前的至少瓦的量级降低到毫瓦量级，并且提出一种实现基于液晶非线性材料的非线性SPPs集成方案。

本发明的另一目的是，基于上述提出的非线性SPPs器件，设计实现了SPPs双稳器件。进而可以实现该双稳器件通过外电场来开启和关闭。

本发明的原理是，采用向列液晶作为主动工作介质，利用热蒸发镀膜方法制备纳米厚度的金膜，然后在金膜上制备厚度为几十微米的掺杂电荷产生剂的向列液晶薄膜。在制备的金膜和向列液晶的界面上可以传播某种特定模式的SPPs，其中该SPPs的模式由金膜的厚度、光学性质以及液晶的光学性质决定；同时，在外加电场作用下或仅在光场作用下，掺杂电荷产生剂的向列液晶和金膜的界面上会产生界面电荷，界面电荷的密度影响液晶分子的排列，而液晶分子的排列影响液晶的折射率。由于界面上传播的SPPs的能量绝大部分限制在界面附近非常小的范围内，因此在界面上具有很大的强度。该界面上传播的SPPs能够极大地影响界面电荷的密度，而界面电荷的密度会影响液晶的排列和折射率，液晶折射率的改变会改变SPPs的传播模式。

金膜与向列液晶界面SPPs非线性产生的过程如下：假设在金膜与向列液晶界面上已经传播着某种强度和模式的SPPs；如果此时SPPs的强度增加，则界面上的电荷密度会降低，则液晶分子的排列会发生相应的变化，从而改变自身的折射率，而液晶折射率的变化会导致SPPs传播模式和强度的变化。SPPs的模式和强度的变化又会导致界面电荷的变化，从而导致SPPs模式和强度的变化，这样的相互作用最终达到平衡。通过界面电荷的作用，SPPs与液晶排列的相互耦合导致的输入与输出关系具有非线性双稳特征。此通过界面电荷控制向列液晶分子取向进而控制向列液晶折射率的效应具有非常高的光强敏感性，所以该结构在毫瓦量级的弱耦合输入功率下便可实现非常显著的SPPs非线性。利用棱镜耦合，便可实现金膜与液晶界面上传播的SPPs与空间传输光的相互耦合。通过监测空间输出光的功率，便可得到SPPs的非线性和双稳特性。

本发明的非线性表面等离子体激元(SPPs)器件的结构是：在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜，在金膜下覆盖掺杂电荷产生剂的液晶层，液晶层位于液晶盒中，液晶盒的另一底面为覆盖有向列液晶取向膜的导电玻璃基底。

该器件能够实现非线性SPPs在于：掺杂的电荷产生剂能够在外加电场的作用下于金膜-液晶的界面处产生能够响应SPPs的界面电荷，或者

不需要外加电场单是光场可以直接在金膜-液晶的界面处产生能够响应SPPs的界面电荷。

该器件可以利用空间光通过棱镜在金膜和向列液晶的界面上激发SPPs，该SPPs通过表面电荷和向列液晶反馈作用实现的非线性特性可以通过测量棱镜耦合输出的光信号来获得。

实现本发明的制备过程如下：

1)利用超声波清洗仪将棱镜和导电玻璃基底分别用丙酮和去离子水清洗后，用烘箱将其烘干；

2)利用真空镀膜技术在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜；

3)在导电玻璃基底上制备向列液晶取向膜；

4)以棱镜底面的金膜和覆盖取向膜的导电玻璃为基底，周围采用聚酯薄膜片制备成液晶盒；

5)将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到向列液晶清亮点温度以上，将向列液晶灌注到液晶盒中，并将温度缓慢降低到室温。至此该器件即制成。

经由以上工序制备而成的棱镜-金膜-向列液晶结构，能够利用空间光通过棱镜在金膜和向列液晶的界面激发SPPs，并且该界面上传播的SPPs的模式可以通过棱镜的反射信号来获得。界面上传播的SPPs通过界面电荷与液晶分子的取向相互耦合作用，实现了界面SPPs的非线性效应。此外，通过变化输入光强，同时检测反射信号，可以得到由界面处SPPs的非线性过程而产生的输入/输出双稳曲线。

本发明的有益效果是，提供的这种基于界面电荷和向列液晶的非线性SPPs器件，能够把产生非线性的输入功率从至少瓦量级降低到毫瓦量级。利用本发明步骤制备的器件，可以通过衰减全反射的方法激发金膜和向列液晶界面的SPPs，并可以通过观察衰减全反射曲线得到SPPs的非线性特性和双稳特性。不考虑棱镜耦合部分(很难实现集成)，本发明提出的基于液晶和界面电荷的非线性SPPs的机制和实现方案在未来的集成光电子芯片中具有实际的应用价值。

附图说明

附图为支持非线性SPPs的器件结构示意图

1——高折射率棱镜 2——金膜 3——向列液晶层

4——向列液晶取向膜 5——导电玻璃基底 6——聚酯薄膜

具体实施方式

下面结合附图以掺杂电荷产生剂富勒烯C₆₀或甲基红的向列液晶为例对本发明作更详细的描述。

实现本发明的非线性表面等离子体激元(SPPs)器件的结构是：在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜，在金膜下覆盖掺杂电荷产生剂的液晶层，例如可以掺杂质量百分比为万分之一到万分之五的富勒烯C₆₀或掺杂质量百分比为千分之一到千分之三十的甲基红，液晶层位于液晶盒中，液晶盒的另一底面为覆盖有向列液晶取向膜的导电玻璃基底。

实现本发明的具体制备过程如下：

1)利用超声波清洗仪将高折射率棱镜1(如TiO₂晶体棱镜，铌酸锂晶体棱镜等)和导电玻璃基底(如氧化锡铟玻璃基底)5分别用丙酮和去离子水清洗后，用烘箱将其烘干；

2)利用热蒸发真空镀膜在棱镜的一个底面制备厚度为30-70纳米，最佳为45纳米的金膜2；

3)在导电玻璃基底5上制备向列液晶取向膜4——十六烷基三甲基溴化铵单分子层；

4)以棱镜底面的金膜2和覆盖取向膜4的导电玻璃5为基底，用厚度为几十微米的聚酯薄膜6做垫片把金膜2和取向膜4隔开，然后用环氧胶将留出几十微米厚间隙的镀有金膜的棱镜底面和覆盖取向膜的导电玻璃粘合起来制备出液晶盒；

5)将富勒烯C₆₀以万分之五的质量比或甲基红以到千分之十的质量比加入向列液晶3(如戊氰基联苯液晶5CB，混合液晶E7)中，在超声波振荡的作用下充分溶解；

6)将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到清亮点温度以上，如将5CB加热到60摄氏度，或将E7加热到85摄氏度，将向列液晶灌注到液晶盒中，并将温度缓慢降低到室温。

Claims

1.一种基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件，其特征是：在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜，在金膜下覆盖掺杂电荷产生剂的液晶层，液晶层位于液晶盒中，液晶盒的另一底面为覆盖有向列液晶取向膜的导电玻璃基底；

2.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是：所述的掺杂电荷产生剂的液晶层中的电荷产生剂可为掺杂质量百分比为万分之一到万分之五的富勒烯C₆₀或掺杂质量百分比为千分之一到千分之三十的甲基红。

3.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是：所述的棱镜可为TiO₂晶体棱镜或铌酸锂晶体棱镜。

4.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是：所述的导电玻璃基底可为氧化锡铟导电玻璃基底。

5.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是：所述的向列液晶可为戊氰基联苯液晶5CB或混合液晶E7。

6.一种基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件的制备方法，其特征是：具体制备过程如下，

2)利用真空镀膜技术在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜；

3)在导电玻璃基底上制备向列液晶取向膜；

5)将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到向列液晶清亮点温度以上，将向列液晶灌注到液晶盒中，并将温度缓慢降低到室温。

7.根据权利要求6所述的非线性表面等离子体激元器件制备方法，其特征是：所述的利用真空镀膜技术制备的金膜，其厚度为30-70纳米，最佳为45纳米。

8.根据权利要求6所述的非线性表面等离子体激元器件制备方法，其特征是：所述的往液晶盒中灌注向列液晶时需要将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到清亮点温度以上，即可将5CB加热到60摄氏度，或将E7加热到85摄氏度。