CN106918850B - 一种柔性超表面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性超表面结构，涉及超材料技术领域。柔性超表面结构由柔性衬底以及该衬底上周期排布的多个亚波长微纳结构重复单元构成，通过特定设计的亚波长微纳结构重复单元在外加应力的情况下，改变亚波长微纳结构中的亮模式和暗模式的相互作用强度，获得了具有高透过率、高品质因子的表面等离子体耦合共振峰，并且获得了较大的群折射率。该结构设计简单，易于制备，实现了超表面结构表面等离子体耦合共振现象动态可调，对于超表面结构在等离子体传感、光开关和慢光器件等技术领域的应用展现了更广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种柔性超表面结构。
背景技术
超材料(metamaterials)是指自然界中不存在的，具有人工设计的特殊结构并展现超常物理特性的复合材料，例如具有负折射率、法诺共振、完美吸收等超常物理特性。基于超材料制备的超表面结构在等离子体传感、光开关和慢光器件等技术领域具有较高的应用潜力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明主要解决的问题：如何在超材料制备的超表面结构上实现表面等离子体耦合现象的动态可调，从而扩大超表面结构的应用范围。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明主要通过两个相互独立的共振单元周期性排布在柔性衬底上，由于柔性衬底的可延展特性，可以通过外加应力改变两个共振单元的间距，从而改变两种模式的耦合强度实现等离子体耦合现象的动态可调。通过外加应力的作用可以实现表面等离子耦合峰位的调节。
本发明提出了一种柔性超表面结构，包括：亚波长微纳结构重复单元和柔性衬底，多个亚波长微纳结构重复单元呈周期性排布在柔性衬底上，亚波长微纳结构重复单元用于在柔性衬底上产生等离子体耦合共振；以及柔性衬底用于实现等离子体耦合共振现象柔性动态可调。
亚波长微纳结构单元包括：第一亚波长微纳结构和第二亚波长微纳结构，第一亚波长微纳结构与第二亚波长微纳结构组合排布在同一表面上，用于接收正入射的平面波。
正入射的平面波用于激发第一亚波长微纳结构中的电共振模式作为亮模式；以及第一亚波长微纳结构中的亮模式用于激发第二亚波长微纳结构的耦合共振模式作为暗模式。
第一亚波长微纳结构中的亮模式和第二亚波长微纳结构中的暗模式在频率上接近。第一亚波长微纳结构中的亮模式和第二亚波长微纳结构中的暗模式用于在柔性衬底上相消干涉产生一个透明区域，产生表面等离子体耦合共振。
亚波长微纳结构重复单元用于接收外加应力以改变第一亚波长微纳结构和第二亚波长微纳结构之间的间距。第一亚波长微纳结构和第二亚波长微纳结构之间的间距与第一亚波长微纳结构中的亮模式和第二亚波长微纳结构中的暗模式之间的相互作用强度具备一一对应的关系。
第一亚波长微纳结构和第二亚波长微纳结构的制备材料是金属材料：金、银、铝、铜，或高折射率电介质材料：硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛、氧化锌中的一种。柔性衬底具有可弯曲、变形、生物兼容、高透明度以及良好稳定性的特点，其制备材料是PDMS(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane)、polyimide(聚酰亚胺)、PET(聚酯)、PEN(聚苯二甲酸乙二醇酯)、BCB(双对氯甲基苯，p-bis(chloromethyl)benzene)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate)、Polypropylene(聚丙烯)、Parylene(聚对二甲苯)、SU8(一种光刻胶，SU8为其型号)或Polystyrene(聚苯乙烯)中的一种，这些材料具有良好的化学稳定性、透气性、透光性、弹性、生物兼容性，并能与传统半导体微纳加工集成技术很好的兼容。
本发明利用单层第一亚波长微纳结构和第二亚波长微纳结构在柔性衬底上周期性排列形成的超表面结构，在正入射情况下，入射电磁波会在第一亚波长微纳结构中激发亮模式，通过近场耦合作用会激发第二亚波长微纳结构中的暗模式，由于亮模式与暗模式的相消干涉作用形成表面等离子耦合现象，并且由于透射位置对应着强的透射位相的色散，因此可以获得较高的群折射率从而获得慢光效应。通过外加应力作用在柔性衬底上，可以调控两种共振单元的间距，从而改变两种模式的耦合强度，最终实现透射峰位的动态调控。
(三)有益效果
采用本发明的柔性超表面结构具有以下有益效果：获得了具有高透过率、高品质因子的表面等离子体耦合共振峰，并且获得了较大的群折射率。另外，通过外加应力作用可以改变两个亚波长微纳结构的间距，即对应微纳结构中相应亮模式和暗模式之间的耦合作用强度，从而实现表面等离子体耦合峰位的动态调节。
附图说明
图1是本发明公开的具体实施例1的一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构的衬底表面俯视示意图图局部；
图2是本发明公开的具体实施例1的一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构的亚波长微纳结构重复单元内的两个不同亚波长微纳结构示意图；
图3-a是本发明公开的具体实施例1的一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构的利用有限元方法模拟获得的透射光谱分析图；
图3-b是本发明公开的具体实施例1的一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构的群折射率分析图；
图4是本发明公开的具体实施例1的一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构在施加的外加应力为0％、8.3％、16.7％情况下对应的透射光谱分析图；
图5是本发明公开的具体实施例1的一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构的对亚波长微纳结构重复单元施加16.7％外应力其中亚波长微纳结构的距离变化俯视示意图。
具体实施方式
在超材料技术领域中，用于产生表面等离子体耦合共振现象的超表面结构，目前尚无法实现对该种现象的动态调节，仅仅限于产生表面等离子体耦合共振现象。因此，使得超表面结构的应用受到了很大限制。
在由金属材料或高折射率电介质材料制备的亚波长微纳结构中，利用量子干涉效应产生的表面等离子耦合效应类似于三能级原子系统中的电磁耦合现象，其具有很多原子系统中电磁耦合所不具有的优点，例如：可以在室温下工作，具有大的工作带宽，易于集成到纳米等离子体回路中等优点。表面等离子体耦合现象可以通过利用在频率和空间上相互接近的亮、暗模式相互耦合形成，其在光谱上主要表现为：在宽的吸收带内出现一个窄的透明带，并且具有高透过率和强色散等特性，最终在透射峰的位置获得较大的群折射率。其具有的品质因子较好、透过率高、吸收低和群折射率大等特性使得其可以很好的应用于慢光器件、光开关和传感器等领域中。
本发明公开的可调表面等离子体耦合柔性超表面结构可以利用柔性衬底通过对衬底上的特定设计的亚波长微纳结构施加外应力，动态地调控表面等离子体耦合现象。具体地，该柔性超表面结构包括两个相互独立的共振单元(亚波长微纳结构)组成的多个亚波长微纳结构重复单元，两个相互独立的共振单元分别支持两种共振模式，其中一个共振单元中的一种共振模式可以由入射光直接激发，而另一个共振单元中的共振模式不能由入射光直接激发，其借助于近场激发作用，由第一个率先激发的共振模式激发产生，两种共振模式相消干涉，在宽的吸收带内出现一个透明区域，并且具有强的色散特性。
另外，多个亚波长微纳结构重复单元周期性排布在柔性衬底上，因为柔性衬底的可延展特性，通过外加应力来改变两个共振单元(亚波长微纳结构)的间距，从而改变两个共振单元中亮、暗两种模式的耦合强度实现表面等离子耦合峰位的动态调节。例如，亚波长微纳结构重复单元在正入射情况下，入射电磁波会在亚波长微纳结构中激发亮模式，通过近场激发耦合作用会激发另一亚波长微纳结构中的暗模式，由于亮模式与暗模式的相消干涉作用形成表面等离子耦合现象，并且由于透射位置对应着强的透射位相的色散，因此可以获得较高的群折射率从而获得慢光效应。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例1，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示一种可调表面等离子体耦合共振柔性超表面结构的衬底表面局部示意图，其中，包括：亚波长微纳结构重复单元A和柔性衬底B，多个亚波长微纳结构重复单元A呈现周期性正方排列分布在柔性衬底B的X-Y平面上，亚波长微纳结构重复单元A用于在柔性衬底B上产生等离子体耦合共振现象，为了形成表面等离子体耦合现象，亚波长微纳结构重复单元A必须呈现周期性排列，根据两个相互独立的共振单元能否稳定的产生亮、暗模式来设定周期；以及柔性衬底B用于实现所述等离子体耦合共振现象柔性动态可调。
该柔性超表面结构每个单独的亚波长微纳结构重复单元都包括至少两个结构特定的金属材料亚波长微纳结构的组合，如图2所示该柔性超表面结构的亚波长微纳结构重复单元内的两个不同亚波长微纳结构示意图，为了使这两种不同亚波长结构分别产生亮、暗共振模式，从而通过亮、暗两种模式的耦合实现表面等离子耦合的的现象，将其中亚波长微纳结构1被设定为一个U形方体结构，亚波长微纳结构2被设定为一个长方体结构，但亚波长微纳结构1和亚波长微纳结构2的结构尺寸和形状可以根据实际应用需要进行调节，不仅仅限于本具体实施例中所公开的结构。
如图3-a所示为该柔性超表面结构利用有限元方法，即求解时对整个结构区域进行分解，对每个子区域假定一个合适的近似解，然后推导求解整个结构区域总的满足条件，以此来模拟获得的透射光谱分析图，当正入射的Y极化平面波入射到该柔性超表面结构上的亚波长微纳结构重复单元A周期阵列上会产生关于该平面波的透射光谱图，横坐标wavelength为入射平面波的波长，纵坐标transmission为对应平面波波长的透射率。正入射光先与亚波长微纳结构2耦合产生亮模式，在亚波长微纳结构1周围会产生非对称分布电磁场，从而激发亚波长微纳结构1中的暗模式，由于两种模式的相互作用，光谱上表现为在透射谷中出现反常的透射峰。
如图3-b所示为与图3-a对应的该柔性超表面结构的群折射率分析图，横坐标wavelength为入射平面波的波长，纵坐标group index是指代群折射率的总指数，与入射平面波的透射峰有关。由于在透射峰位置存在强的透射位相的色散，根据群折射率公式：
其中，c0为真空中光的传播速度，t为超表面结构的厚度，为透射位相。透射位相色散较强的区域可以获得较大的群折射率值。
如图4所示为该柔性超表面结构在施加的外加应力为0％、8.3％、16.7％情况下对应的透射光谱分析图，横坐标wavelength为入射平面波的波长，纵坐标transmission为对应平面波波长的透射率。由于亚波长微纳结构重复单元A在垂直方向上受到外加应力情况下，亚波长微纳结构1和亚波长微纳结构2的间距会增加，如图5所示该柔性超表面结构的对亚波长微纳结构重复单元A施加16.7％外应力其中亚波长微纳结构的距离变化示意图，当没有外加应力的时候，亚波长微纳结构1和亚波长微纳结构2之间的间距为a，当施加了16.7％外应力后，亚波长微纳结构1和亚波长微纳结构2之间的间距为b，且b＞a。随着外加应力的增加，整个柔性衬底结构会向外延伸，亚波长微纳结构1和亚波长微纳结构2的间距也会等比例增加。由于金属材料的杨氏模量远大于柔性衬底B的杨氏模量，因此在一定的外力下，金属材料的亚波长微纳结构不会随着柔性衬底B而拉伸，仅有的微小形变并不影响其最初支持的共振模式。但是由于亚波长微纳结构1和亚波长微纳结构2的间距明显增加了，就显著的改变了两种模式的近场耦合特性，在透射光谱上表现为形成的表面等离子体耦合峰的峰位逐渐向长波方向移动，整个结构周期增加的情况下，实现了通过在两个垂直方向上施加应力即可以实现整个表面等离子体耦合柔性超表面结构的机械动态调节。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种柔性超表面结构，包括：亚波长微纳结构重复单元和柔性衬底，多个所述亚波长微纳结构重复单元呈周期性排布在所述柔性衬底上，
所述亚波长微纳结构重复单元用于在所述柔性衬底上产生等离子体耦合共振；以及
所述柔性衬底具有可延展特性，所述柔性衬底的制备材料是PDMS、polyimide、PET、PEN、BCB、PMMA、Polypropylene、Parylene、SU8或Polystyrene中的一种；其中，
所述亚波长微纳结构重复单元包括两个相互独立的共振单元，分别为：第一亚波长微纳结构和第二亚波长微纳结构，所述第一亚波长微纳结构与所述第二亚波长微纳结构组合排布在同一表面上，用于接收正入射的平面波；
通过外加应力来改变两个共振单元的间距，从而改变两个共振单元支持的亮暗两种共振模式的耦合强度实现表面等离子耦合峰位的动态调节；所述正入射的平面波用于激发所述第一亚波长微纳结构中的电共振模式作为亮模式；以及
所述第一亚波长微纳结构中的亮模式用于激发所述第二亚波长微纳结构的耦合共振模式作为暗模式。
2.根据权利要求1所述的柔性超表面结构，其特征在于，所述第一亚波长微纳结构中的亮模式和所述第二亚波长微纳结构中的暗模式在频率上接近。
3.根据权利要求1所述的柔性超表面结构，其特征在于，所述第一亚波长微纳结构中的亮模式和所述第二亚波长微纳结构中的暗模式用于在所述柔性衬底上相消干涉产生一个透明区域，产生表面等离子体耦合共振。
4.根据权利要求1所述的柔性超表面结构，其特征在于，所述第一亚波长微纳结构和所述第二亚波长微纳结构之间的间距与所述第一亚波长微纳结构中的亮模式和所述第二亚波长微纳结构中的暗模式之间的相互作用强度具备一一对应的关系。
5.根据权利要求1所述的柔性超表面结构，其特征在于，所述第一亚波长微纳结构和所述第二亚波长微纳结构的制备材料是金属材料：金、银、铝、铜，或高折射率电介质材料：硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛、氧化锌中的一种。
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