CN105700073B - 一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法。表面等离激元单向耦合和分束器件包括上层金属光栅、下层金属光栅以及设置在所述上层金属光栅、所述下层金属光栅之间的中间介质层；所述上层金属光栅由按二维晶格周期性排列的若干个金属块构成；所述下层金属光栅为金属平板，所述下层金属光栅设有按所述二维晶格周期性排列的若干个金属孔；所述若干个金属块与所述若干个金属孔一一相对，相对的所述金属块与所述金属孔在与所述下层金属光栅垂直的方向上存在错位。本发明能实现表面等离激元传输方向单向传输和分束。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法，该器件应用可能包括但不限于集成光学芯片的开关路由、偏振编码的光子信息处理、量子计算信息技术。
背景技术
光纤的兴起使人们进入了高速信息传递的时代，同时，传统半导体集成电子芯片经过长足的发展，逐渐逼近理论的微观尺寸极限，在这个极限上出现的发热和时延等问题制约着集成电子芯片运算性能的提高，如果使用光子取代电子进行信息处理或传输，将极大提高控制和计算效率，带来十分广阔的应用想象空间。
表面等离激元(Surface plasmonpolariton,SPP)被形象地称为“金属-电介质分界面上的光”，起源于光子与金属表面导带电子的相互耦合，为科学家提供了一种在微纳尺度调控光子的重要方法，其重要特性在于能够突破光学衍射极限，将光场局限在深亚波长区域，获得极大的局域场增强，因此，能够缩小器件尺寸，降低器件工作的最低能量损耗，基于表面等离激元设计光子器件方面取得了许多激动人心的研究成果，如纳米光源、天线、存储器、传感器等，基于表面等离激元的科学技术被认为是设计实现集成光学芯片的一种重要的可能途径。
表面等离激元单向耦合器能够将自由传播的光波耦合并转换成集成芯片上的表面等离激元，同时有效控制其传播方向，削弱相反方向的传输，从而在集成光路芯片工作中抑制不必要的干扰，已经引起前沿科学的广泛关注。
量子信息领域与表面等离激元领域的结合是前沿科学研究的一个新兴热点，研究显示单个表面等离激元激元在传播过程能够保持量子相干性，偏振调控的表面等离激元耦合器件提供了重要的平台，可能将携带偏振信息的光子比特转换为表面等离激元，有望拓展表面等离激元器件在量子信息领域的研究和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种表面等离激元单向耦合和分束器件。
上述技术问题通过以下方案解决：
一种表面等离激元单向耦合和分束器件，包括上层金属光栅、下层金属光栅以及设置在所述上层金属光栅、所述下层金属光栅之间的中间介质层；所述上层金属光栅由按二维晶格周期性排列的若干个金属块构成；所述下层金属光栅为金属平板，所述下层金属光栅设有按所述二维晶格周期性排列的若干个金属孔；所述若干个金属块与所述若干个金属孔一一相对，相对的所述金属块与所述金属孔在与所述下层金属光栅垂直的方向上存在错位。
其中，所述中间介质层由与所述若干个金属孔一一对应的若干个倾斜的介质柱构成，所述介质柱生长在对应的金属孔中并支撑与该金属孔对应的金属块。
其中，所述介质柱的任一横截面尺寸都小于所述金属块的横截面尺寸、所述金属孔的横截面尺寸。
其中，所述金属块的横截面尺寸与所述金属孔的横截面尺寸一致。
其中，所述金属块、所述金属孔的横截面均为相同的正方形或菱形。
其中，所述金属块的厚度与所述金属孔的厚度一致。
其中，所述二维晶格为四方晶格或三角晶格或六角晶格。
其中，所述中间介质层为与所述上层金属光栅、所述下层金属光栅均连接的介质块。
上述表面等离激元单向耦合和分束器件，可以作为光学天线将自由空间光波耦合并转换为平面内传播的表面等离激元；当晶格方向上入射光偏振分量和错位分量同时不为零时，可以激发该方向上单向传播的表面等离激元；当多个晶格方向上入射光偏振分量和错位分量都同时不为零时，可以激发单向分束传播的表面等离激元；从而，可以通过对入射光偏振方向的动态调控，实现表面等离激元传输方向可控的单向传输或分束功能。
本发明还提供一种表面等离激元单向耦合和分束器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在石英片上旋涂一层粘附层；
2)在光刻胶不敏感的环境中，在粘附层上旋涂一层光刻胶层；
3)使用倾斜的双光束或多光束干涉对光刻胶层进行一次或多次的全息曝光，经过显影得到按二维晶格周期性排列的若干个倾斜的介质柱，该若干个介质柱；构成所述中间介质层；
4)沿着介质柱倾斜的方向先后进行两次金属阴影沉积，得出位于粘附层上的金属平板和一一对应地位于若干个介质柱上端的若干个金属块，金属平板作为所述下层金属光栅，若干个金属块构成所述上层金属光栅。
其中，通过调控双光束或多光束的入射角度来调控若干个介质柱的晶格周期，通过调控曝光时间和显影时间来调控介质柱的横截面尺寸。
其中，上述步骤4)具体为：对光刻胶层做相互正交的两次倾斜双光束干涉全息曝光，两次曝光得到的光栅周期方向相互正交，两次曝光都使入射的双光束角平分线与石英片表面的法线方向成A角度，0<A<90。该步骤是具体制作按四方晶格周期性排列的若干个介质柱。
其中，所述粘附层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙稀或聚丙稀。
其中，采用电子束蒸镀进行金属阴影沉积。
其中，第一次金属阴影沉积选用的金属为镍或铬，第二次金属阴影沉积选用的金属为黄金或银或白金。使用镍或铬进行第一次金属阴影沉积，可以得到一层金属粘附层，便于第二次金属阴影沉积所使用的贵金属(黄金或银或白金)更稳定地粘连。
附图说明
图1为采用介质柱作为中间介质层的其中一种表面等离激元单向耦合和分束器件的俯视结构示意图；
图2为图1沿A-A的剖视图；
图3为采用介质块作为中间介质层的其中一种表面等离激元单向耦合和分束器件的剖视结构示意图；
图4为石英片、粘附层、光刻胶层的连接示意图；
图5为在光刻胶层曝光显影形成其中一种具体结构的倾斜的四方晶格介质柱阵列(5×5周期阵列)沿对角线的截面示意图；
图6为在光刻胶层曝光显影形成另一种具体结构的倾斜的四方晶格介质柱阵列的俯视角度电子显微镜图；
图7为在光刻胶层曝光显影形成另一种具体结构的倾斜的四方晶格介质柱阵列的倾斜角度电子显微镜图；
图8为沿四方晶格介质柱阵列(5×5周期阵列)倾斜方向阴影沉积金属的俯视示意图；
图9为图8沿B-B线的剖视图；
图10为双光束干涉全息曝光的光路示意图；
图11为其中一个具体结构的表面等离激元单向耦合和分束器件的俯视电子显微镜图；
图12为其中一个具体结构的表面等离激元单向耦合和分束器件的倾斜角度电子显微镜图；
图13为在入射光沿(1,1)方向偏振时的模拟场分布图(器件为5x5周期阵列，工作波长780nm，表现出单向的分束功能)；
图14为在入射光沿(1,1)方向偏振时的远场光学反/散射测量图像(器件为5x5周期阵列，工作波长780nm，表现为单向的分束功能)。
具体实施方式
如图1至图3所示，一种表面等离激元单向耦合和分束器件(在具体实施方式中简称为器件)，包括上层金属光栅1、下层金属光栅2以及设置在上层金属光栅1、下层金属光栅2之间的中间介质层3；上层金属光栅1由按二维晶格周期性排列的若干个金属块11构成；下层金属光栅2为金属平板，下层金属光栅2设有按所述二维晶格周期性排列的若干个金属孔21；若干个金属块11与若干个金属孔21一一相对，相对的金属块11与金属孔21在与下层金属光栅2垂直的方向上存在错位，形成错位间隙121。
在其中一个实例中，如图3所示，中间介质层3为与上层金属光栅1、下层金属光栅2均连接的一介质块。
在其中一个实例中，如图1和图2所示，中间介质层3由与若干个金属孔21一一对应的若干个倾斜的介质柱31构成，介质柱31生长在对应的金属孔21中并支撑与该金属孔21对应的金属块11，即介质柱31沿金属孔21朝向对应的金属块11的方向倾斜。
由上述描述可知，若干个金属孔21、若干个介质柱31和若干个金属块11都是按二维晶格周期性排列，为了便于描述，将按二维晶格周期性排列的若干个金属孔21、若干个介质柱31、若干个金属块11对应称为金属孔阵列、介质柱阵列、金属块阵列。
上述表面等离激元单向耦合和分束器件的设计原理如下：
沿垂直上述器件所在的平面的方向(亦为垂直下层金属光栅2的方向)，自由空间光线入射上述器件时，分别激发金属块11、金属孔21的局域表面等离子体共振(Localizedsurface plasmon resonance，LSPR)，同时二维晶格周期性结构提供了平面内传播的伍德异常(Wood’s Anomaly，WA)模式，WA传播过程中与金属块11或金属孔21的LSPR相互耦合，形成WA-LSPR模式，最后形成束缚在中间介质层3的波导模。中间介质层3(若干个介质柱31或介质块32)从原理上等效于折射率均匀的等效介质层，金属块阵列和金属孔阵列可以同时分别在等效介质层激发WA-LSPR模式。考虑到金属块阵列和金属孔阵列的错位使各自产生的WA-LSPR模式有相位差，在晶格方向上，若入射光偏振投影分量(亦称偏振分量)不为零，且错位投影分量(亦称错位分量)不为零，两个WA-LSPR模式在正方向上干涉相长而反方向上干涉相消，形成单向传输的波导模，最后在下层金属光栅2的界面，耦合进表面等离激元，即出现表面等离激元的单向传输；由于上述表面等离激元单向耦合和分束器件按二维晶格周期性排列来设置上下错位的金属孔21和金属块11，当多个晶格方向上入射光偏振分量和错位分量都同时不为零时，激发单向分束传播的表面等离激元；因此，可以通过调整入射光偏振方向，则可以实现表面等离激元传输方向可控的单向传输或分束功能。
上述晶格方向的解析：比如，在二维周期的四方晶格中，若以四方晶格(正四边形晶格)的相邻两边建立xy坐标系，那么沿x方向是一个晶格方向，沿y方向是另一个晶格方向；在二维周期的六角晶格中，若以六角晶格的一边以及与该边垂直的方向建立xy坐标系，那么沿x方向是一个晶格方向，沿与x方向成60度角的方向是另一个晶格方向。
因此，上述表面等离激元单向耦合和分束器件，可以作为光学天线将自由空间光波耦合并转换为平面内传播的表面等离激元；当晶格方向上入射光偏振分量和错位分量同时不为零时，可以激发该方向上单向传播的表面等离激元；当多个晶格方向上入射光偏振分量和错位分量都同时不为零时，可以激发单向分束传播的表面等离激元；从而，可以通过对入射光偏振方向的动态调控，实现表面等离激元传输方向可控的单向传输或分束功能。
上述中间介质层3采用电介质材料。
上述二维晶格为四方晶格；当然也可以设计为三角晶格或六角晶格。
上述金属块11的厚度与上述金属孔21的厚度是一致，即上述下层金属光栅2与金属块11的厚度一致。
上述金属块11的横截面尺寸与上述金属孔21的横截面尺寸一致，具体为，上述金属块11、金属孔21的横截面可以均为相同的正方形或菱形。
因此，上述金属块11和上述金属孔21可以设计为横截面为正方形或菱形的柱形体。
在此说明，上述各数据之间的一致，除了包括理论上的绝对一致，也包括因生产工艺所存在的公差而存在的细微不同。
上述中间介质层3为若干个倾斜的介质柱31时，介质柱31的中部外径略小于两端外径。当上述金属块11、金属孔21的横截面为正方形时，介质柱31的横截面为正方形；当上述金属块11、金属孔21的横截面为菱形时，介质柱31的横截面为菱形。介质柱31的任一横截面尺寸都小于上述金属块11的横截面尺寸，由于上述金属块11的横截面尺寸与上述金属孔21的横截面尺寸一致，因此，介质柱31的任一横截面尺寸也小于上述金属孔21的横截面尺寸。
在实际应用中，晶格周期大小、中间介质层3(介质柱31的高度或介质块32的厚度)及金属块11横截面尺寸、金属孔21的横截面尺寸可以由器件的期望工作波长优化设计而选定。
图1至图3中，若干个金属孔21、若干个介质柱31和若干个金属块11具体是按四方晶格周期性排列，并形成5×5周期阵列，这作为一种具体设计来说明本申请的只是用于说明，并不是局限于此具体结构，例如可以设计按四方晶格周期性排列形成N×N周期阵列(N为大于1的整数)。
在此，设计一个工作波长为780nm、且可以偏振调控的表面等离激元单向耦合和分束器件，以金属孔21、金属块11均按四方晶格周期排列和中间介质层3由若干个倾斜的介质柱31构成、为例，结合图1，以四方晶格(正四边形晶格)的相邻两边建立xy坐标系，并定义沿x方向为(1，0)方向，沿y方向为(0，1)方向，沿xy方向为(1，1)方向。偏振调控的单向模式起源于等效介质层传播的伍德异常(Wood’s Anomaly，WA)模式，波长发生于正入射时θ＝0°，则而εeff为等效介质层折射率neff的平方，因此，λWA主要由晶格周期和等效介质层折射率决定。通过FDTD Solutions数值计算无限周期时器件的反射谱，以此确定偏振调控的单向模式波长，结合多光束干涉曝光得到介质柱31占空比可调范围，采用折射率为1.61的光刻胶制作介质柱31时，数值计算电磁场分布得到等效介质层折射率neff一般1.10-1.30之间，若取介质柱31最大横截面边长为230nm，则对应等效介质层折射率neff-1.21，而四方晶格周期a＝λWA/neff＝644nm，上、下层金属光栅2的厚度均为100nm，同时，当沿(1，1)方向的错位量Δs＝100nm时，偏振调控的单向模式对应的反射谷最明显。进一步，在给定正入射高斯光源直径宽度3000nm情况下，选定5×5周期阵列计算器件对自由空间入射光束的单向耦合和分束性能，在这个过程中微调介质柱31、金属块11和金属孔21横截面的边长尺寸、介质柱31的高度、以及金属块11和金属孔21的相对错位量，期望得到优化的单向耦合和分束性能。通过优化计算得到介质柱31的最大横截面边长225nm、高度为550nm，而金属颗块和金属孔21横截面的边长为255nm，沿(1，1)方向错位量为80nm(分别沿(1，0)和(0，1)方向有55nm的错位量)时可以得到较好的单向耦合和分束性能，即较高的单向传输消光比和耦合效率，其中，介质柱31的横截面尺寸略小于金属块11和金属孔21尺寸(这个特点起源于器件制备技术)，至此确定器件参数。
为了制备出具有上述器件参数的器件，本具体实施方式提供一种表面等离激元单向耦合和分束器件的制备方法，包括以下步骤：
1)结合图4，在石英片51上旋涂一层粘附层52；
其中，石英片51经过以下处理：将质量比浓度为98％的浓硫酸和质量比浓度为30％的过氧化氢按照3:1的体积比配置混合溶液，取石英片51在上述混合溶液中浸泡3小时，然后取出石英片51并先后用去离子水和无水乙醇超声清洗，接着对石英片51做氧等离子体刻蚀使表面具有亲水性，最后用热板烘干石英片51，热板的工作参数为：温度95℃，时间2分钟；
上述粘附层52聚甲基丙烯酸甲酯层(亦称PMMA层，PMMA，Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)；旋涂的具体过程是：使用旋涂机将聚甲基丙烯酸甲酯溶液在石英片51上进行旋涂，聚甲基丙烯酸甲酯溶液由PMMA粉末(Sigma公司，分子量350,000)和氯苯按质量比1.5:100配置混合而成，旋涂机的工作参数包括转速4000rpm/s、时间32s，旋涂完成后用热板烘干，热板的工作参数为：温度95℃，时间2分钟，使样品上残留的氯苯挥发，在石英片51上得到厚度为50nm的聚甲基丙烯酸甲酯层；
2)结合图4，在光刻胶不敏感的环境中，在粘附层52上旋涂一层光刻胶层53；具体是，在红光或黄光等光刻胶不敏感的光线环境下进行以下操作：使用旋涂机将光刻胶溶液在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜层上进行旋涂，光刻胶溶液由光刻胶(Allresist公司，试剂AR-P3740)与光刻胶稀释剂(Allresist公司，试剂AR 300-12)按质量比1:1配置混合而成，浓度14.5％，旋涂机的工作参数包括转速1800rpm/s、时间32s，旋涂完成后用热板烘干，热板的工作参数为：温度95℃，时间90s，使残留的光刻胶稀释剂挥发，得到厚度为550nm的光刻胶层53；
3)结合图5、图6、图7，使用倾斜的双光束或多光束干涉对光刻胶层53进行一次或多次的全息曝光，经过显影得到按二维晶格周期性排列的若干个倾斜的介质柱31；具体是，对上述光刻胶层53采用两次双光束干涉全息曝光，制备出按二维晶格周期排列的倾斜的介质柱31；其中，两次双光束干涉全息曝光使用同一组光路，对上述光刻胶层53进行第二次双光束干涉全息曝光时，上述光刻胶层53在其平面内转动90度；结合图10，形成上述光路的光路形成系统具体包括激光器61、一级扩束器62、分光棱镜63，第一反射镜64、第二反射镜65，第一个二级扩束器66和第二个二级扩束器67，激光器61发出的光线经一级扩束器62的送至分光棱镜63，分光棱镜63将光线分成两束光线，两束光线分别经第一反射镜64、第二反射镜65的变向，对应送至第一个二级扩束器66和第二个二级扩束器67，经第一个二级扩束器66和第二个二级扩束器67的两束光线呈夹角为2C的相交，O＜C＜45°；曝光得到的晶格周期大小由两个因素共同决定，其一是光路中经过两个二级扩束器66、67之后双光束形成的夹角2θ，其二是被曝光物68所在平面的法线方向与双光束入射角平分线的角度D，0<D<90；通过调控双光束的入射角度来调控若干个介质柱31的晶格周期，调整曝光时间和显影时间，以使曝光图样符合设计选定的介质柱31占空比(即介质柱31的横截面尺寸)，所用的显影液由质量分数为2％的氢氧化钠溶液与去离子水按体积比1:3配置而成，显影时间为8s，两次曝光时间分别为11.5s，被曝光物15在法线方向上相对于双光束入射的角度均为6°，得到四方晶格周期排列的介质柱31，周期大小为640nm，介质柱31的最大横截面边长约225nm；由于显影方式为各向同性的溶解反应，介质柱31具有以下特点：中部外径略小于两端部的外径；
4)结合图8、图9、图11和图12，沿着介质柱31倾斜的方向(亦为生长方向)先后进行两次金属阴影沉积，得出位于粘附层52上的金属平板和一一对应地位于若干个介质柱31上端的若干个金属块11，金属平板作为所述下层金属光栅2，若干个金属块11构成所述上层金属光栅1。具体是，沿中间介质柱31的倾斜方向，采用电子束蒸镀进行先后两次金属阴影沉积，第一次沉积镍，沉积速率为0.03nm/s，厚度为5nm，第二次沉积金，沉积速率为0.1nm/s，厚度为100nm，得出上层金属光栅1和下层金属光栅2，由于曝光显影制备得到的介质柱31具有顶部外径略大于中部外径，且电子束蒸镀金属阴影沉积具有较为严格的方向性，避免了金属粘附在介质柱31的侧壁，更为符合所设计的结构，因此，金属块11和金属孔21在与下层金属光栅2垂直的方向上存在错位。
在实际应用中，采用上述制备方法，可以得到一个3×3μm2的平面尺寸的表面等离激元单向耦合和分束器件，在该器件中，金属块11、介质柱31和金属孔21呈四方晶格周期阵列，金属块11和金属孔21两者的横截面为相同的正方形、厚度相同；以四方晶格(正四边形晶格)的相邻两边建立xy坐标系，并定义沿x方向为(1，0)方向，沿y方向为(0，1)方向，沿xy方向为(1，1)方向，此时，器件的错位沿(1，1)方向，当若入射光偏振沿(1，0)方向，则表面等离激元沿(1，0)方向单向传播；若入射光偏振沿(0，1)方向，则表面等离激元沿(0，1)方向单向传播；若入射光偏振沿(1，1)方向，则表面等离激元同时沿(1，0)和(0，1)方向的单向传输模式，也即将入射光单向耦合并分束到两个垂直的通道上传播的表面等离激元，器件不仅表现出分束性能，而且分束具有单向传输的特点。如果不需要分束功能，只希望器件具有单向耦合性能，可设计只沿(1，0)或(0，1)方向错位的结构，对应获得沿(1，0)或(0，1)方向的单向传输，其设计方法和流程完全类似。
器件的性能表征：以5x5周期阵列器件(参照图1、图2、图8和图9)为例，首先测量所制备的器件的正入射反射光谱，利用光谱仪(PerkinElmer公司，型号Lambda 950)测量器件的反射谱，与FDTD Solutions(Lumerical公司)模拟设计结果相比对，确认与单向耦合/分束相关的模式存在，接着检测所制备的器件在单向耦合/分束应用上的性能，设计了远场激发远场收集的探测方法，使一束中心波长为780nm的钛蓝宝石飞秒激光(Spectra Physics公司，型号Mai Tai，可调中心波长690-1040nm)经过带有旋转装置的半波片，聚焦正入射到所制备的器件，并用相机(Lumenera Corporation公司，型号INFINITY 1-5)记录器件的远场反/散射图像，聚焦后入射器件的激发光斑直径约3000nm，接近于器件所设计的5×5周期阵列，旋转半波片，使入射器件的激光的线偏振方向分别沿器件平面内(1，0)，(0，1)和(1，1)方向，对应观察器件所耦合的单向/分束等工作状态的动态切换，图13和图14分别表示模拟和实验测量中，在入射光波长780nm，沿(1,1)方向偏振时，器件表现出单向耦合的分束功能，模拟和测量相互吻合。
本发明提供的表面等离激元单向耦合和分束器件，具备以下优势：
1、作为光学天线将自由空间光波耦合并转换为平面内传播的表面等离激元(不需要传统复杂的棱镜耦合)，通过外加线偏振光动态调控，实现表面等离激元传输方向可控的单向传输或分束功能；
2、由于结构本身的二维周期性，与基于特异表面实现类似功能的器件相比，设计和制备都较为简单，同时在设计上灵活调整器件的尺寸，可以适应期望的工作波长；
3、利用两个平面内传输的WA-LSPR模式的相长相消干涉实现表面等离激元的单向传输，使器件的工作具有良好的波长选择谐振性；
4、在调控表面等离激元单向传输方向的手段上，通过外加线偏振光即可实现灵活切换，与基于圆偏振光或椭圆偏振光的偏振状态的调控手段相比，更为方便易用。
5、在自由空间光波垂直正入射时即可实现可动态调控的单向耦合和分束功能，不需附带精确控制入射光束角度的装置，能够适应普遍的工作环境。
6、将自由空间的光波转换为表面等离激元时，携带了入射光束的偏振状态信息，这意味着可能将偏振编码的光子比特转换为表面等离激元，有望拓展表面等离激元器件在量子信息领域的研究和应用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种表面等离激元单向耦合和分束器件，该器件是将入射光耦合为器件所在平面内的若干个定向传播的表面等离激元，其特征在于其包括：上层金属光栅、下层金属光栅以及设置在所述上层金属光栅、所述下层金属光栅之间的中间介质层；所述上层金属光栅由按二维晶格周期性排列的若干个金属块构成；所述下层金属光栅为金属平板，所述下层金属光栅设有按所述二维晶格周期性排列的若干个金属孔；所述若干个金属块与所述若干个金属孔一一相对，相对的所述金属块与所述金属孔在与所述下层金属光栅垂直的方向上存在错位；
所述中间介质层由与所述若干个金属孔一一对应的若干个倾斜的介质柱构成，所述介质柱生长在对应的金属孔中并支撑与该金属孔对应的金属块。
2.根据权利要求1所述的表面等离激元单向耦合和分束器件，其特征在于：所述介质柱的任一横截面尺寸均小于所述金属块的横截面尺寸、所述金属孔的横截面尺寸。
3.根据权利要求1所述的表面等离激元单向耦合和分束器件，其特征在于：所述金属块的横截面尺寸与所述金属孔的横截面尺寸一致；所述金属块、所述金属孔的横截面均为相同的正方形或菱形；所述金属块的厚度与所述金属孔的厚度一致。
4.根据权利要求3所述的表面等离激元单向耦合和分束器件，其特征在于：所述二维晶格为四方晶格或三角晶格或六角晶格。
5.根据权利要求1所述的表面等离激元单向耦合和分束器件，其特征在于：所述中间介质层为与所述上层金属光栅、所述下层金属光栅均连接的一介质块。
6.一种权利要求1至4任意一项所述的表面等离激元单向耦合和分束器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在石英片上旋涂一层粘附层；
2)在光刻胶不敏感的环境中，在粘附层上旋涂一层光刻胶层；
3)使用倾斜的双光束或多光束干涉对光刻胶层进行一次或多次的全息曝光，经过显影得到按二维晶格周期性排列的若干个倾斜的介质柱，该若干个介质柱构成所述中间介质层；
4)沿着介质柱倾斜的方向先后进行两次金属阴影沉积，得出位于粘附层上的金属平板和一一对应地位于若干个介质柱上端的若干个金属块，金属平板作为所述下层金属光栅，若干个金属块构成所述上层金属光栅；具体为：对光刻胶层做相互正交的两次倾斜双光束干涉全息曝光，两次曝光都使入射的双光束角平分线与石英片表面的法线方向成D角度，0°<D<90°。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：通过调控双光束或多光束的入射角度来调控若干个介质柱的晶格周期，通过调控曝光时间和显影时间来调控介质柱的横截面尺寸。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述粘附层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙稀或聚丙稀；采用电子束蒸镀进行金属阴影沉积；第一次金属阴影沉积选用的金属为镍或铬，第二次金属阴影沉积选用的金属为黄金或银或白金。
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Citations (3)
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