CN106842389B - 一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，属于等离激元诱导透明技术领域，由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°。同时提供其相关的应用。本发明的光学材料，属于纳米电磁超材料，由3个金属圆环体构成的三环结构单元呈二维周期性排列在基板上，该结构稳定性和重现性好，具有特殊电磁响应，且具有高透射率、大色散和可调控结构参数的特点。

Description

一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料及应用

技术领域

本发明属于等离激元诱导透明技术领域，具体涉及一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料及应用。

背景技术

1988年，俄罗斯科学家Kocharovskaya和Khanin从理论上推测电磁诱导透明现象的存在；1991年，自Harris小组首次利用脉冲激光在实验中观察到电磁诱导透明现象以来，电磁诱导透明一直是一个热门的研究领域，之后，有研究人员在阶梯型三能级铅原子蒸气中也实现了电磁诱导透明，进而，科学家们进一步研究了介质的折射性质，结果表明在电磁诱导透明效应下，量子干涉效应可以消除介质对光的吸收，同时使光的群速度显著降低。人们不断尝试将光速减得更慢，并相继取得了一系列成果，促进了电磁诱导透明的发展。但由于试验样品和实验条件的限制，如真空低温条件和稀有气体媒介，进行EIT实验时具有一定的困难，尤其是如何灵活地操控EIT效应比较难以实现。2008年，美国加利福尼亚大学Zhang等人从理论上研究了等离激元诱导透明（plasmon induced transparency，PIT），将等离激元与超材料结合，在光学频域下实现磁性和负折射率材料，出现类似于EIT的现象，为研究电磁诱导透明开辟了新的道路；同年，Papasimakis提出基于鱼鳞形结构的人工超材料实现PIT现象，且不仅在实验上制备出该材料，测量到对应透过率谱线的PIT现象，还演示了该材料对脉冲信号的延迟作用，即信号的延迟时间达到信号脉宽的40％。PIT效应不仅可用来降低光速，研发光开关和光信息存储器，也可应用于传感领域，如：如斯图加特工业大学Liu等人设计的金属板刻槽结构可作为一种在近红外线波段高效的局域表面等离子体共振传感器。因此，通过测量类EIT特征峰的细微变化可以得知靠近金纳米结构附近分子的变化，为PIT应用于检测不同质量浓度的化学和生物分子以及检测在纳米环境下的化学反应打开了新的道路。

目前，设计的等离激元诱导透明结构主要有：石碑型、空槽型、开口谐振环型、波导型等，但上述的结构设计复杂、制作困难，如使用纳米棒组合结构，在制造和加工等方面耗时，尤其涉及到堆叠结构时，表面平整性和层与层之间的区分更是繁琐，而且仅有一个物理参数可以控制实现等离激元诱导透明，或需要复杂的材料与各种活性物质相结合才可能实现，主动控制涉及多个物理参数的，如两个谐振器之间的耦合强度、亮模式的阻尼率等，难以实现，极大地制约了等离激元诱导透明技术在实际工业化的应用以及灵活操控各项参数调控等离激元诱导透明现象。

发明内容

本发明目的在于提供一种高透射率、大色散、可调控结构参数的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，同时提供其应用是本发明的另一发明目的。

基于上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°。

所述三环结构单元的排列周期为400 nm；第一金属圆环体和第二金属圆环体的主半径R1为35 nm~50 nm，副半径R2为15 nm，2个第一金属圆环体中心之间的间距为150~180nm。

所述空间夹角θ为0，第二金属圆环体相对于2个第一金属圆环体的中心连线的横向位移s为0~40 nm，2个第一金属圆环体对称设置于第二金属圆环体两侧。

所述第一金属圆环体和第二金属圆环体由币族金属制成。

所述币族金属为银。

所述基板由电介质材料制成。

所述电介质材料为玻璃、氧化铝或石英晶片。

该光学材料应用于光开关、慢光器件或高度集成光路。

本发明的基板可用电子束双曝光技术与定位技术来制备[Chen WT, Chen C-J,Wu PC, et al. Optical magnetic response in three-dimensional metamaterial ofupright plasmonic metamolecules. Opt Express 2011;19:12837–42]，具体方法为：先制备两个银十字交叉的对准标记覆盖在75*75μm²的石英晶片上，将200nm厚的PMMA以4000转/min的速度旋涂于石英晶片上，然后于180℃下，在烤热板上加热3分钟，最后利用电子束双曝光技术制备三环结构单元。 [Wu P C, Chen W T, Yang K Y, et al. Magneticplasmon induced transparency in three-dimensional metamolecules.Nanophotonics, 2012, 1(2):131-138.]。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明的光学材料，属于纳米电磁超材料，由3个金属圆环体构成的三环结构单元呈二维周期性排列在基板上，该结构稳定性和重现性好，具有特殊电磁响应，且具有高透射率、大色散和可调控结构参数的特点，通过调控不同的参数，可以控制透射峰的出现和消失以及透射峰的位置，如透射峰的出现和消失通过第二金属圆环体的横向位移来控制，金属环不发生横向位移，结构处于对称状态时，没有透射峰出现，当第二金属圆环体发生横向位移，透射峰出现；通过改变第一金属圆环体和第二金属圆环体的结构尺寸来调控透射峰的位置等， 透射峰处的群折射率，最大可达到352；

2）本发明的光学材料在光开关、慢光器件和高度集成光路中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1中（a）为本发明的结构示意图，（b）为三环结构单元的主视图，（c）为三环结构单元的俯视图；

图2为实施例1-8的三环结构单元的透射谱；

图3为实施例1和6的共振频率处的电场强度分布图，（a）为实施例1的电场强度分布图，（b）为实施例6的电场强度分布图；

图4为实施例2-7的三环结构单元的群折射率图；

图5为实施例2-8的三环结构单元的共振频率处的群折射率与透射率随横向位移的变化趋势图；

图6为实施例1、9-16的三环结构单元的透射谱；

图7为实施例1、17-19的三环结构单元的透射谱。

具体实施方式

实施例1

一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，基板为石英晶片，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体1，2个第一金属圆环体1之间还设置有第二金属圆环体2，第一金属圆环体1和第二金属圆环体2的尺寸一致，所述第一金属圆环体1和第二金属圆环体2由银制成，所述第二金属圆环体2沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体1的中心连线形成的空间夹角θ为0，2个第一金属圆环体1对称设置于第二金属圆环体2两侧。

三环结构单元的排列周期包括x-y平面周期p（两个相邻的三环结构单元的几何中心在x轴向上的距离）和平面周期q（两个相邻的三环结构单元的几何中心在y轴向上的距离），p=400nm，q=400nm。

第一金属圆环体1和第二金属圆环体2的主半径R1为40 nm，副半径R2为15 nm，所述第二金属圆环体2相对于2个第一金属圆环体1的中心连线的横向位移s为0，2个第一金属圆环体1中心之间的间距为160nm，第一金属圆环体1与第二金属圆环体2之间的间距g分别为10nm。

实施例2-8

实施例2-8与实施例1的不同之处在于：第二金属圆环体2相对于2个第一金属圆环体1的中心连线的横向位移s依次分别为2.5 nm、5nm、7.5 nm、10 nm、20 nm、30 nm、40 nm，其他同实施例1。

实施例9-16

实施例9-16与实施例1的不同之处在于：实施例9-16中空间夹角θ依次分别为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，2个第一金属圆环体距与其相邻的第二金属圆环体的切线方向的间距相等，其他同实施例1。

实施例17-19

实施例17-19与实施例1的不同之处在于：第一金属圆环体和第二金属圆环体的主半径R1依次分别为35 nm、45 nm、50 nm，2个第一金属圆环体中心之间的间距依次分别为150nm、170nm、180nm，其他同实施例1。

实施例20 模拟试验

以下试验中，采用三维有限元多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行计算，金属材料的介电系数设置为实验中得到的数据[Johnson PB, Christy RW, OpticalConstants of Noble Metals. Physical Review B, (1972),6(12):4370-4379]。模拟时只计算一个三环结构单元，通过在平面方向设置周期边界来模拟无限大阵列结构。平面电磁波垂直于基板入射，电场、磁场的偏振方向分别沿x轴、y轴，在x、y轴方向采用周期性边界条件，z方向使用完美匹配层来消除在边界处的非物理反射。进行网格划分设置为特别细化，S参量的最大误差控制在0.01％，进行频域扫描计算透射、反射率随频率的变化关系，从而获得吸收谱A=1-T-R。

实施例20.1 实现等离激元诱导透明的“开”和“关”

构筑实施例1的三环结构单元，如图1（a）（b）（c）所示，实施例1-8的透射谱如图2所示，由图2可知，随着第二金属圆环体横向位移的增加，在共振频率处（508THz）出现一个尖锐的透射峰。当横向位移s从20nm增加到40nm时，透射峰的高度增长变慢，但透射峰的宽度扩大。当横向位移s=40nm，透射峰出现一个很宽的通频带，透射率可以达到90%，从476THz到528THz。因此，通过改变第二金属圆环体的横向位移可以实现等离激元诱导透明的“开”和“关”。

图3为实施例1和6的电场强度分布图，分别为横向位移s=0nm和s=20nm。由图3可知，当s=0nm时，具有三环结构单元具有结构的对称性，第二金属圆环体具有很强的辐射，2个第一金属圆环体作为1个四极天线，在这种情况下，没有与偶极天线相互耦合。一旦结构的非对称性出现，偶极子和四极天线之间开始相互耦合。随着横向位移进一步的扩大，偶极子和四极天线之间的耦合强度也逐渐增强。由图3(b)可看出，结构的不对称导致四极天线的两端具有更强的电场，而偶极天线几乎没有电场。

图6为实施例1、9-16具有不同旋转角度（θ）的三环结构单元的透射谱，随着第二金属圆环体旋转角度增加，在共振频率处（508THz）出现一个尖锐的透射峰，并且透射峰的宽度不随旋转角度增加而增大，同时透射峰的透射率增大。因此，通过调整第二金属圆环体的旋转角度也可实现等离激元诱导透明的“开”和“关”。

实施例20.2实现群速度的减缓

其中：c₀为真空中光速，是角频率；t为三环结构单元竖直方向的高度，为通过三环单元结构透射波的位相。

利用上述公式计算出三环单元结构在不同横向位移下（实施例2-7）共振频率处的群折射率，如图4所示，由图4可看出，随着第二金属圆环体的横向位移s增加，在共振频率处（508THz）的群折射率先增大后减小，在横向位移s=5nm时，群折射率达到最大值352，横向位移s继续增大，群折射率逐渐减小。由此得知，本发明的光学材料对光的群速度具有较大的延迟作用。

图5为群折射率（图中1）和透射率（图中2）随横向位移变化的趋势图，由图5可看出，群折射率随着横向位移的增加先增大后减小，而透射率则一直增加。因此，在选择高群折射率和高透射率之间需要权衡。

实施例20.3 调整主半径R1的参数的透射谱

实施例1、17-19的材料选择特定频率或波长的光通过得到透射谱如图7所示，当主半径R1从35nm增加到50nm时，共振峰从544THz调节至436THz，这也说明，共振波长可以通过结构参数进行调节。

Claims (8)

1.一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°，x-y平面为基板所在平面。

2.如权利要求1 所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述三环结构单元的排列周期为400 nm；第一金属圆环体和第二金属圆环体的主半径R1为35 nm~50 nm，副半径R2为15 nm，2个第一金属圆环体中心之间的间距为150~180nm。

3.如权利要求2所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述空间夹角θ为0，第二金属圆环体相对于2个第一金属圆环体的中心连线的横向位移s为0~40 nm，2个第一金属圆环体对称设置于第二金属圆环体两侧。

4.如权利要求1所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述第一金属圆环体和第二金属圆环体由币族金属制成。

5.如权利要求4所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述币族金属为银。

6.如权利要求1-5任一所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述基板由电介质材料制成。

7.如权利要求6所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述电介质材料为玻璃、氧化铝或石英晶片。

8.权利要求1所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料的应用，其特征在于：该光学材料应用于光开关、慢光器件或高度集成光路。