CN108519686A - 一种可调控电场分布及透射强度的光学器件及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种可调控电场分布及透射强度的光学器件及其调控方法，包括一互相连接的基底层和单层结构，单层结构由多个结构相同的周期单元平面拼接而成，每个周期单元由第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块拼接而成，第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块的短边互相平行，且沿x方向依次拼接，第一矩形块和第三矩形块由贵金属制成，第二矩形块由金属Mg制成。该结构可以通过吸氢和脱氢反应改变第二矩形块的材料性质，从而实现调节电场分布和透射强度的调控。该结构为单层平面结构，制备和使用方法简单方便，易于操作，可根据使用者的目标实现不同的功能及效果。

Description

一种可调控电场分布及透射强度的光学器件及其调控方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种可调控电场分布及透射强度的光学器件及其调控方法。

背景技术

近年来，纳米结构的光学特性被普遍关注和研究，并在光学、传感、化学催化中展现出极大的应用潜能，如纳米尺度光操控、强电场激发的光学器件等技术。其中，人造纳米结构因其可根据功能目标导向进行人为设计的优势，在研究领域被广泛地研究，尤其在等离子体纳米结构的局域电场增强以及透射特性调控的研究工作中出现了很多新颖的现象。近年来，研究领域提出了一些具有自然界中的材料所不具备的奇异电磁特性的复合材料，将两种或两种以上的材料根据功能目标导向进行设计组合，以实现不同的功能及作用效果。

在研究领域，研究者们通过设计各种周期阵列的人造纳米结构以及电磁学原理的拟合，例如，螺旋型、L型、多层万字形、颗粒自组装体等结构，实现了可调控的电场分布及透射特性的性能，被广泛应用于吸附催化反应、食品安全及生物分子探测等领域。此外，研究者们也研究了球状体和三角形金属等纳米结构的光学透射特性，发现局域表面等离激元共振可以形成增强透射效应。

纳米结构透射光谱分布在可见光区中且能激发局域电场的贵金属主要有银、金、铜金属材料。局域电场分布以及透射特性的实现以及调控不但取决于纳米结构的形状、大小、层数、组装聚集度等因素，而且与这些纳米结构的材料密切相关。因此，为实现可调节的电场分布和透射特性的增强，纳米结构在制备技术上提出了更高的要求。传统调节表面电场分布和透射强度的方法有重新制作结构和调控入射光的偏振方向。前者，需要重新制作，成本高；后者，严重依赖于纳米结构的形貌，也不能实现渐变式的调控。

发明内容

为了解决现有技术中存在的固定结构中电场分布和透射强度不可调的技术问题，本发明提供了一种可调控电场分布及透射强度的光学器件及其调控方法，该结构可以通过吸氢和脱氢反应转化结构中第二矩形块的材料性质，实现调节电场分布和透射强度调控。该结构为单层平面结构，制备和使用方法简单方便，易于操作，且可一体成型，可根据使用者的目标实现不同的功能及效果，通过吸氢或者脱氢反应即可实现对宽频透射强度及局域电场增强位置的调节。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种可调控电场分布及透射强度的光学器件包括一互相连接的基底层和单层结构，所述单层结构由多个结构相同的周期单元平面拼接而成；

每个周期单元由第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块拼接而成；所述单层结构由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列平面连接而成；每个周期单元由第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块拼接而成，

所述的第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块短边互相平行，且沿x方向依次拼接；

所述的第一矩形块和第三矩形块由贵金属制成，第二矩形块由金属Mg制成。

进一步地，所述第二矩形块的短边宽度小于所述第一矩形块和第三矩形块的短边宽度。

进一步地，所述第一矩形块与第二矩形块的长度不相等。

进一步地，所述第一矩形块的与第三矩形块的宽度不等，并且所述第二矩形块为梯形，所述基底层为玻璃。

进一步地，所述的光学器件的调控方法，包括以下步骤：

步骤1，在室温下，将所述光学器件铺于玻璃基底层上，置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，所述第二矩形块的金属Mg材料与氢气发生吸氢反应生成MgH₂，即第二矩形块通过化学反应发生材料性质转化，从金属转化为介质，所述光学器件的透射特性发生改变，且共振波段的透射光谱强度也发生改变；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学器件置于氧气环境中，MgH₂发生脱氢反应，所述第二矩形块的MgH₂材料经过还原反应转化为金属Mg，所述光学器件的透射特性还原至初始，电场分布和局域电场透射强度还原至初始；

通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现对所述光学器件透射特性的调节，实现对所述光学器件的电场分布以及共振波段调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1. 本发明光学器件为单层平面结构，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易，无需多层镀膜，且可一体成型，制备工艺简单快捷，易于操作。

2. 本发明光学器件，可以通过化学反应转化结构中部分材料的性质，通过H₂与结构中金属镁的反应，即第二矩形块Mg（金属）到MgH₂（介质）的转化，实现电场分布以及透射强度调控。

3. 本发明的光学器件电场分布及共振波段的调控，途径是通过氢气和氧气进行吸氢和脱氢反应实现，氢气作为一种可再生的二次清洁能源，属于绿色能源，在实验过程中不排放污染物，无害无毒。

4. 本发明光学器件中第二矩形块金属镁转化过程中的透射光谱主要分布在可见光和近红外区，对x偏振光可以产生不同的电场分布，通过通入H₂使第二矩形块Mg（金属）向MgH₂（介质）转化，从而实现透射共振波段位置从近红外区向可见光区移动，更易于检测，为可调节波段信号位置的光学器件提供了新的研究思路。

5. 本发明光学器件，可以通过化学反应转化结构中第二矩形块材料的性质，使得电场增强位置发生改变，这一新效应可以应用在近场宽频光捕获、传感器等领域，同时为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，具有一定的指导意义。

6. 本发明光学器件中，当第一矩形块与第三矩形块的长度不相等时，第二矩形块由Mg到MgH₂的转化可以调控出结构的法诺共振特性，使得结构对其周围介质折射率更为敏感，该结构可以用于探测周围环境折射率，检测灵敏度高。

7. 本发明光学器件中，当第一矩形块与第三矩形块的宽度不同，第二矩形块由Mg到MgH₂的转化可以调控结构周围的手性电场，利于手性分子检测。

8. 本发明光学器件中，第二矩形块使用的是金属镁，Mg价廉易得，MgH₂包含高达7.6%质量分数的氢，超越所有可知的可逆金属氢化物，Mg在紫外和蓝色可见光波段具有优越的消光效能，可以产生高频等离激元，这是其他金属所不具备的特性。

附图说明

图1是本发明光学器件周期结构图；

图2是本发明光学器件周期单元结构图；

图3是本发明光学器件在第二矩形块材料转化前后的透射曲线图；

图4是本发明光学器件结构在第二矩形块材料为Mg时，在x偏振光照射下共振位置的电场分布图；

图5是本发明光学器件结构在第二矩形块材料为MgH₂时，在x偏振光照射下共振位置的电场分布图。

图2中：1、第一矩形块；2、第二矩形块；3、第二矩形块。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种可调控电场分布及透射强度的光学器件，该结构可以通过化学反应转化结构中第二矩形块的材料性质，实现调节电场分布和透射强度调控。该结构为单层平面结构，制备和使用方法简单方便，易于操作，且可一体成型，可根据使用者的目标实现不同的功能及效果，通过吸氢或者脱氢反应即可实现对宽频透射强度及局域电场增强位置的调节下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种可调控电场分布及透射强度的光学器件，包括一互相连接的基底层和单层结构，单层结构由多个结构相同的周期单元平面拼接而成，每个周期单元由第一矩形块1、第二矩形块2和第三矩形块3拼接而成，第一矩形块1、第二矩形块2和第三矩形块3短边互相平行，且沿x方向依次拼接，第一矩形块1和第三矩形块3由贵金属制成，本申请实施例优选为金材料，第二矩形块2由金属Mg制成。

本申请实施例光学器件为简单的平面结构，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易，无需多层镀膜，且可一体成型，制备工艺简单快捷，节省人力物力，在后期使用时只需要根据需要进行吸氢或脱氢作用即可实现对该结构电场分布和透射强度的调节，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。在吸氢脱氢作用前后第二矩形块2的材料性质发生性质转变，在x偏振光激发下，可以产生不同共振波段的不同效果的透射率。

第二矩形块2的短边宽度小于第一矩形块1和第三矩形块3的短边宽度。第一矩形块1与第二矩形块2的长度不相等，当第一矩形块1与第三矩形块3的长度不相等时，第二矩形块2由Mg到MgH₂的转化可以调控出结构的法诺共振特性，使得结构对其周围介质折射率更为敏感，该结构可以用于探测周围环境折射率，检测灵敏度高。

第一矩形块1的与第三矩形块3的宽度不等，并且第二矩形块2为梯形；基底层为玻璃基底。

实施例2：

基于实施例1的结构，本实施例公开了一种可调控电场分布及透射强度的光学器件的调控方法，包括以下步骤：

步骤1，在室温下，将光学器件铺于玻璃基底层上，置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，第二矩形块2的金属Mg材料与氢气发生吸氢反应生成MgH₂，即第二矩形块2通过化学反应发生材料性质转化，从金属转化为介质，光学器件的透射特性发生改变，且共振波段的透射光谱强度也发生改变；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学器件置于氧气环境中，MgH₂发生脱氢反应，第二矩形块2的MgH₂材料经过还原反应转化为金属Mg，光学器件的透射特性还原至初始，电场分布和局域电场透射强度还原至初始；

通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现对光学器件透射特性的调节，实现对光学器件的电场分布以及共振波段调控。

氢气作为一种可再生的二次清洁能源，属于绿色能源，在实验过程中不排放污染物，无害无毒。

光学器件结构的制备工艺要求非常严苛，一种结构只能实现其特定的模式，无法在该结构的基础上做适当调整改变其光学特性，而只能通过重新设定所需结构参数，重新制备该结构来达到该目的。基于实施例1中公开的可调控电场分布及透射强度的光学器件，在本实施例中，提供了一种可调控电场分布及透射强度的光学器件的调节方法，可以通过吸氢或脱氢作用来改变该结构的表面电场分布及局域电场透射强度，在不重新制备的情况下只需改变该结构第二矩形块2的材料性质便可达到调整电场强度和透射特性的目的。

在常温下，将该光学器件置于含有一定浓度氢气的密闭容器中，以钯为催化剂，本实施例优选氢气体浓度为0.25V%和3.0V%，以氮气为载气。钯作为催化剂，将氢气分子分解为氢原子，与金属Mg发生氢化作用，在此过程中可以通过控制通入氢气的浓度来实现渐进式变化，材料性质的可控式转化，从而实现电场的可控调节。

在氢气浓度为0.25V%时，随着时间的推移，金属Mg逐渐发生吸氢作用形成MgH₂，发生了从完全金属化到完全介质化的转化，整个氢化过程完成大约100分钟。将该结构置于3.0V%体积分数的高浓度氢气中，吸氢几乎是瞬间的。我们可以通过氢气浓度来调节金属Mg的转化速度和转化率。

然后在室温下，将氢化后的光学器件结构暴露在空气当中，发生脱氢作用，氢气逐渐从金属Mg上脱离，MgH₂逐渐转化为金属Mg，还原为初始状态，该结构的透射特性及电场分布也恢复至之前的状态。

所以，本实施例光学器件通过金属Mg的吸氢脱氢作用，实现对该结构中的第二矩形块2材料性质的转化，通过Mg（金属）到MgH₂（介质）的材料性质转化实现对该结构表面电场分布和局域电场共振模式的调节，操作简单方便，为该类光学器件的设计提供了一种新的思路。

实施例3：

基于实施例1所公开的光学器件，通过使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOLMultiphysics进行仿真计算模拟试验。具体设置参数如下：

第一矩形块1、第二矩形块2和第三矩形块3的长边长度均为40nm；第一矩形块1和第三矩形块3的短边宽度均为20nm，第二矩形块2的短边宽度为10nm； 第一矩形块1、第二矩形块2和第三矩形块3的厚度均为20nm。

基于实施例1公开的光学器件，其模拟结果如图3透射光谱图所示，本申请实施例光学器件在第二矩形块2材料性质转化前后，对x偏振光激发下，可以产生不同共振波段的不同效果的透射率。

当第二矩形块2的材料为Mg（金属）时，产生两个局域共振模式，分别为：模式1：波长λ₁= 840 nm，透射率T₁=25%，共振位置位于可见光波段；模式2：λ₂= 450 nm，透射率T₂=90%，共振位置位于近红外光波段。

当第二矩形块2的材料转化为MgH₂（介质）时，产生两个局域共振模式，分别为：模式3：λ₃= 580 nm，透射率T₃= 75%；模式4：λ₄= 480 nm时，透射率T₄=92%，共振位置均位于可见光波段。

本申请实施例第二矩形块2材料性质在转化前后发生了较大的差异，从而改变了其透射强度及其共振位置，为一般光学器件，尤其是偏振片的设计提供了很好的应用价值。

尤其是当第二矩形块2为金属Mg时，Mg分别与第一矩形块1、第三矩形块3金属之间产生相互作用耦合，与入射x偏振光发生强相互作用，Mg（金属）材料性质具有在紫外和蓝色可见光波段优越的消光效能，可以产生高频等离激元，实现表面电场增强。

实施例4：

基于实施例1的所公开的光学器件，如图4和图5所示为第二矩形块2材料转化前后其电场分布图。

图4(a)为第二矩形块2为金属镁时，在波长λ₁= 840 nm共振位置的电场分布图；图4(b)为第二矩形块2为金属镁时，在波长λ₁= 450nm共振位置的电场分布图；图5(a)为第二矩形块2为氢化镁时，在波长λ₁= 580nm共振位置的电场分布图；图5(b)为第二矩形块2为氢化镁时，在波长λ₁= 480nm共振位置的电场分布图。

图4(a)中可以看出，当共振波长λ₁= 840 nm时，光学器件中的第二矩形块2为材料Mg（金属）时（图3中的激发模式1），局域电场增强区域主要分布在矩形金属块表面和两侧拐角，且电场强度极强；如图4(b)所示，当共振波长λ₂= 450 nm时（图3中的激发模式2），其局域电场增强的位置主要分布在中间矩形块表面以及两侧矩形块近距处的拐角处，电场强度相对模式1较弱。

当第二矩形块2转化为MgH₂（介质）时，由于MgH₂（介质）不参与光子相互作用。从如图5(a) 可以看出，当共振波长λ₃= 580 nm时（图3中的激发模式3），局域电场增强区域主要分布在第一矩形块1和第三矩形块3两侧拐角，且电场强度弱；

如图5(b)所示，当共振波长λ₄= 480 nm时（图3中的激发模式4），其局域电场增强的位置也主要分布在第一矩形块1和第三矩形块3两侧拐角，但电场强度相对模式3较强，无金属表面分布的强电场。

当第二矩形块2转化为MgH₂（介质）时，第二矩形块2不会分别与第一矩形块1、第三矩形块3金属之间产生相互作用耦合，虽然削弱了电场强度，但是增强透射的同时，有效地缩短了电偶极子极距（表面相互作用长度），将在在x偏振光激发下产生的共振由远红外区移动至可见光区。

第二矩形块2材料性质转化前后，本实施例表面电场分布和透射特性均发生了改变，实现电场分布以及共振波段调控，激发局域强电场，这一新效应可以应用在传感器、偏振激发强场器件等领域，同时为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，具有一定的指导意义。

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 (5)

1.一种可调控电场分布及透射强度的光学器件包括一互相连接的基底层和单层结构，所述单层结构由多个结构相同的周期单元平面拼接而成；其特征在于：

每个周期单元由第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块拼接而成；

所述的第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块的短边互相平行，且沿x方向依次拼接；

所述的第一矩形块和第三矩形块由贵金属制成，第二矩形块由金属Mg制成。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：所述第二矩形块的短边宽度小于所述第一矩形块和第三矩形块的短边宽度。

3.根据权利要求2所述的光学器件，其特征在于：所述第一矩形块与第二矩形块的长度不相等。

4.根据权利要求3所述的光学器件，其特征在于：所述第一矩形块的宽度与第三矩形块的宽度不等，并且所述第二矩形块为梯形；所述基底层为玻璃基底。

5.由权利要求1-4所述的任一光学器件的调控方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在室温下，将所述光学器件铺于玻璃基底层上，置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，所述第二矩形块的金属Mg材料与氢气发生吸氢反应生成MgH₂，即第二矩形块通过化学反应发生材料性质转化，从金属转化为介质，所述光学器件的透射特性发生改变，且共振波段的透射光谱强度也发生改变；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学器件置于氧气环境中，MgH₂发生脱氢反应，所述第二矩形块的MgH₂材料经过还原反应转化为金属Mg，所述光学器件的透射特性还原至初始，电场分布和局域电场透射强度还原至初始；

通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现对所述光学器件透射特性的调节，实现对所述光学器件的电场分布以及共振波段调控。