CN103838057A - 高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜 - Google Patents

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肖淑敏
孙上
宋清海
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Abstract

本发明提供了一种高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其包括由三层构成的单元结构，其中上下两层是金属，中间的一层是介质结构，数个该单元结构构成周期单元结构，周期为p，倍频或三倍频有机材料作为中间介质材料。本发明具有以下的优点:尺寸小：该超材料结构厚度在一百纳米左右，更加有利于集成光学中的应用;转换效率高：该结构利用磁性超材料的磁谐振有效增强了局域电磁场，从而使得非线性材料的非线性效应有了很大提高，同等厚度的非线性材料的非线性响应观测不到;响应速度快：金属等离子激发可以达到几个飞秒的程度，利于光学信号的超快处理。

Description

高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜
技术领域
本发明涉及集成光学，尤其涉及高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜。
背景技术
传统非线性光学材料尺寸大，并且存在相位失配的问题。该效应源于材料的色散，引起非线性过程中光子动量不守恒，导致干涉和低转换效率。
为提高转换效率，必须使用相位匹配技术，包括双折射相位匹配、角相位匹配，还有准相位匹配。但是每种技术都有各自的缺陷。
纳米金属复合材料利用金属颗粒的局域电场增强提高非线性效应，但电谐振的作用有限，效果远不如磁谐振。
随着非线性光学的快速发展，一方面是要寻找非线性光学系数大、响应速度快的材料；一方面是发展非线性光学材料的应用，如光开关、光通信等小型集成等光学器件。但是传统非线性光学材料的应用需要足够长的作用距离，并且为达到足够大的转换效率需要满足相位匹配的条件，这些都限制了其在微纳光子学器件中的应用。
为提高转换效率，已经有几种广泛使用的相位匹配技术。双折射相位匹配技术利用晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应，但是这个技术只限制在双折射材料。角相位匹配通过相互作用光波的几何校正来进行相位补偿，可是这种不共线的光学方法限制了相互作用的长度。准相位匹配采用由周期或准周期的非线性晶体引入的动量消除了原本的相位失配，但是种方法限制在特定的非线性晶体并且可以补偿相位的范围不大。
光学非线性本身很微弱，因为其是由材料内部光子与光子间的相互作用所控制，因此很强烈地依靠于电磁场的强度，而传统非线性材料非线性效应的产生很大程度依靠于激光器的大功率，而这样很容易受到限制并且在微纳光子学领域的可利用性不高。
新型的超材料所带来的等离子体激发对于金属的介电性质和周围介质都十分敏感。在非线性光学中，这种超常的敏感可用于光控光，用一束光来引导材料中介电特性的非线性变化，进而改变等离子共振和信号光的传播。此外，等离子体的激发可以在几个飞秒的程度上快速响应，这样便能实现光学信号的超快处理，而这些是传统非线性材料所不具备的。
纳米金属颗粒复合薄膜非线性光学特性相比传统材料有较大增强，其增强机理来源于金属颗粒的掺入而引起表面等离子体振荡的增强，从而引起其周围局域电场的变化，这种局域场反过来又引起了电场和金属颗粒的相互作用。在微结构的非线性效应的研究中，单个金属纳米粒子已经获得了广泛的关注和探索，然而由于金属纳米颗粒仅具有电谐振，对于入射光波的增强作用仅为几十倍，所以产生的非线性信号比较微弱。
发明内容
针对现有非线性材料的不足，为了有效减小非线性光学器件的尺寸和提高其倍频/三倍频转换效率，从而实现高速光开关、光调制器等全光器件的设计，特提出以下通过磁性超材料和有机非线性材料的复合结构实现新型小尺寸、高效、快速的光学倍频/三倍频薄膜的设计。本发明提供了一种高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其包括由三层构成的单元结构，其中上下两层是金属，中间的一层是介质结构，数个该单元结构构成周期单元结构，周期为p，倍频或三倍频有机材料作为中间介质材料。
优选的，倍频有机材料为半花菁染料衍生物，三倍频有机材料为聚二乙炔类衍生物。
优选的，上下两层是银。
优选的，所述上下金属的厚度t=20～40纳米,介质层厚度d=20～40纳米，金属条和介质层的宽度为w=150～250纳米，光栅周期p=200～500纳米。
优选的，所述上下金属的厚度t=25～35纳米,介质层厚度d=25～35纳米，金属条和介质层的宽度为w=160～180纳米，光栅周期p=3000～450纳米。
优选的，上下金属的厚度t=30纳米,介质层厚度d=30纳米，金属条和介质层的宽度为w=170纳米，光栅周期p=400纳米。
本发明的有益效果是：
在该设计中，由于单元结构尺寸远小于信号光的波长，所以不存在相位失配的问题。利用具有特殊性能的磁性超材料的局域场效应来提高有机非线性材料的倍频/三倍频的转换效率。具有特殊光学性质特别是光学磁响应的超材料一般是由金属纳米结构构成，特殊设计的超材料能够很好地把光局域在纳米量级的空间上，一般在结构内部有着非常强的局域场，现有的设计和试验证实，在具有特殊性质的超材料的内部仅有几十个纳米的空间里，电场强度可以增强50倍以上，也就是说强局域场部分的光能量能被提高一千倍以上。另一方面，由于超材料对于入射电子波的磁场分量具有比较强的磁响应，已有的实验表明在超材料中，由于磁响应产生的一系列的光学非线性信号如二次谐波，三次谐波，四波混频等都成几个量级的超过由电响应产生的信号。在本发明中，采用以金属-介质-金属结构作为周期单元形成光栅结构。由于这种结构的超材料具有很强的磁谐振，会在将入射光的很大程度局域在中间介质层，因此不但存在很强的局域电场，而且存在很好的局域磁场增强，如果将非线性材料填充在中间介质层，将会极大的提高非线性材料的非线性转换效率。
尺寸小：该超材料结构厚度在百纳米级别，更加有利于集成光学中的应用。
转换效率高：该结构利用磁性超材料的磁谐振有效增强了局域电磁场，从而使得非线性材料的非线性效应有了很大提高，同等厚度的非线性材料的非线性响应几乎没有。
响应速度快：相比传统非线性晶体有着很大优势，金属等离子激发可以达到几个飞秒的程度，利于光学信号的超快处理。
附图说明
图1是现有纳米金属颗粒复合薄膜示意图；
图2是本发明结构的三维示意图；
图3是本发明结构的截面示意图；
图4是本发明透射光谱；
图5是本发明非线性倍频超材料薄膜出射端电场强度谱；
图6是本发明非线性三倍频超材料薄膜出射端电场强度谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
结构如图2、3所示，一个基于“三明治”结构作为周期单元构成的光栅结构，周期为p。主体结构是由“三明治”结构组成，“三明治”结构由三层结构组成，其中上下两层1和3是金属，中间的一层2是介质结构。在本发明中，把倍频/三倍频有机材料（半花菁染料（hemicyanine，HC）衍生物/聚二乙炔(PDA)类衍生物）作为中间介质材料。半花菁染料（hemicyanine，HC）衍生物和聚二乙炔(PDA)类衍生物分别是常用的二阶和三阶非线性光学材料。
超材料的上、下两层是金属层，在可见光频域工作的磁性纳米条选用银作为成对金属条的材料。制备部分的难度在于如何制备出损耗比较小的光栅结构，因为该结构是金属与介质组成的有谐振特性的纳米材料，金属的损耗与其制备的过程密切相关，目前国际上主要的制备金属纳米膜的办法是电子束蒸镀，这样子得到的材料纯度比较高，表面比较平整，所以损耗比较小。
首先在附有ITO膜层的玻璃基底上旋涂光阻，然后用电子束刻蚀技术完成结构的刻蚀和显影，接下来采用真空电子束蒸镀技术实现银层的蒸镀，非线性介质层采用LB技术和旋涂技术进行制备，完成“三明治”结构，最后经过lift-off过程得到想要的光栅结构。
本结构几何设计采用的参数是金属条厚度t=20～40nm，如t为25、28、30、32、35纳米,介质层厚度d=20～40nm，例如d为25、28、30、32、35纳米，金属条和介质层的宽度为w=150～250nm，例如w为160、170180、190、200、210、220、230、240纳米，光栅周期p=200～500nm，例如p为250、280、300、320、350、400纳米。
上述参数在TM偏振的光源照射下，能够有效激发结构的谐振效应，该结构的透射光谱如图4：
该结构的磁谐振波长在1040nm，此时在中间介质层的磁场增强可达到400倍以上，对于非线性效应的增强起到巨大作用。
图5为光源1040nm(288.262THz)的TM偏振光垂直入射本倍频超材料薄膜，在出射端电场强度频谱图，可以看到除去光源基频的288.262THz，在倍频处的576.524THz也会看到很强的响应，可得到倍频振幅与基频比为0.0695。图6为非线性三倍频超材料薄膜出射端电场强度谱，可以看到，同样有着很强的三倍频响应。而对于同等厚度d=30nm的单纯非线性倍频/三倍频材料薄层，几乎看不到非线性响应。
该结构有的优势如下：
1、通过调整该超材料的结构参数可有效调控谐振位置，可以根据需要最大程度的提高不同信号光源的非线性转换效率。参数变化与谐振位置关系如下：d变大，磁谐振蓝移；t变大，磁谐振蓝移；p变大，电谐振红移；w变大，磁谐振红移。
2、结构尺寸小，厚度薄。从结构的参数来看，与传统非线性材料相比，超材料的厚度可以达到100nm级别，对于微纳米光子学器件可利用性高。
3、超材料结构其内部金属的等离子体激发可以在几个飞秒的程度上快响应，这样便能实现光学信号的超快处理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其特征在于：其包括由三层构成的单元结构，其中上下两层是金属，中间的一层是介质结构，数个该单元结构构成周期单元结构，周期为p，倍频或三倍频有机材料作为中间介质材料。
2.根据权利要求1所述的高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其特征在于：倍频有机材料为半花菁染料衍生物，三倍频有机材料为聚二乙炔类衍生物。
3.根据权利要求1所述的高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其特征在于：上下两层是银。
4.根据权利要求1所述的高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其特征在于：所述上下金属的厚度t=20~40纳米, 介质层厚度d=20~40纳米，金属条和介质层的宽度为w=150~250纳米，光栅周期p=200~500纳米。
5.根据权利要求4所述的高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其特征在于：所述上下金属的厚度t=25~35纳米, 介质层厚度d=25~35纳米，金属条和介质层的宽度为w=160~180纳米，光栅周期p=3000~450纳米。
6.根据权利要求5所述的高转换效率的光学倍频或三倍频薄膜，其特征在于：上下金属的厚度t=30纳米, 介质层厚度d=30纳米，金属条和介质层的宽度为w=170纳米，光栅周期p=400纳米。
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