CN109617545A - 具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置及方法,其激光器、光学斩波器、半波片+线性偏振器、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、短通滤波器和光栅光谱仪依次相连;所述的介电超表面样品的最小单元包括长方形和正方形,长方形的尺寸为200nm×700nm,正方形尺寸为400nm×400nm,整个最小的周期性单元变成为750nm的正方形,材料si的厚度为120nm,放置在2000nm厚的石英基底上。采用本发明可以得到两个共振波长,既可以有效提高三次谐波的转换效率,还可以选择输入激光的共振波长从而可得到两种不同的三次谐波增强倍数,实现可调三次谐波增强;此外,输入不同的共振波长可以让电磁场局域在不同的元件中,从而实现光电开关的功能。
Description
技术领域
本发明涉及的是共振长波技术领域,具体涉及具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置及方法。
背景技术
三次谐波是由输入波长为λ的电磁波注入到非线性介质中极化衍生出波长为λ/3的倍频光。三次谐波作为一种强光作用下的三阶非线性效应,并且理论上可以在所有介质中观测到三阶非线性效应,那么其特性相对于二次谐波对微纳材料的应用更具有普适性,所以更有利于对推进高度集成的光学器件实用化,并且其可以应用到生物分子跟踪技术、生化传感器、光学开关、电介质超材料反射器和纳米天线等,这些应用都可以推进全光器件的发展进程。
在1961年,美国科学家Fano就发现了一种输出光谱区别于以往洛仑兹线型的非对称线型。他将这种由于连续态电离与离散自发电离的相互干涉的在激发谱中产生的非对称峰命名为Fano共振峰。
根据Miroshnichenko理论,由于光存在着不同的散射,光就会沿着不同的路径传播,那么一个系统中就应该存在着至少两个个有效的散射路径。因此,沿着不同路径传播的光之间产生了干涉现象,对应的在透射谱中就会出现相干相长的共振增强和相干相消的共振减弱。实验中采用两个或以上的元件:一部分充当‘暗’模,透过谱比较窄;一部分充当‘亮’模,透过谱比较宽。利用亮暗模之间的相互干涉形成典型的三级Fano共振系统,进而得到较高的三次谐波。
材料的非线性光响应是很弱的,因此有效的非线性光相互作用需要长的相互作用长度和高强度。特别在处理大块晶体时,增强非线性转换的常用方法是在基波和产生的波进行相位匹配,同时还需要较长的样品相互作用长度;
利用共振感应电磁场增强。当用于纳米尺度的薄膜时,这种方法不需要相位匹配,如:局域表面等离子体激元共振,但等离子体结构中的场极大值发生在金属、介电界面的边界上,故不能有效的利用金属的本征非线性。为了缓解这一问题将非线性材料放置在等离子体“热点”附近,但仍会限制整体的效率;又提出低损耗的介电结构,如:纳米硅盘和表现出Mie共振的齐聚物,虽然能够实现强烈的近场增强,从而获得较高的三次谐波转换效率,但存在光学模式的泄露性质。接着又提出片上光子结构,如环形谐振器和慢光波导,虽然能够获得大质量Q因子和长光子停留时间,从而可以获得较高的三次谐波转换效率,但由于总线波导的长光程引起的基波的双光子吸收限制了转换效率。
综上所述,本发明设计了具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置及方法。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明目的是在于提供具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置及方法,可以得到两个共振波长,既可以有效提高三次谐波的转换效率,还可以选择输入激光的共振波长从而可得到两种不同的三次谐波增强倍数,实现可调三次谐波增强;输入不同的共振波长可以让电磁场局域在不同的元件中,从而实现光电开关的功能。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置,包括激光器、光学斩波器、半波片+线性偏振器、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、短通滤波器和光栅光谱仪,激光器、光学斩波器、半波片+线性偏振器、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、短通滤波器和光栅光谱仪依次相连;所述的介电超表面样品的为最小单元包括长方形和正方形,长方形的尺寸为200nm×700nm,正方形尺寸为400nm×400nm,整个最小的周期性单元变成为750nm的正方形,材料si的厚度为120nm,放置在2000nm厚的石英基底上。
作为优选,所述的激光器可替换为钨灯。
作为优选,所述的光栅光谱仪可替换为光电倍增管。
所述的装置使用方法为:
首先,测量介电超表面的线性透射率,从而测得共振波长;此时所需要的器件为钨灯、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、光栅光谱仪;将钨灯作为光源通过低数值孔径物镜将弱光聚焦到大小为225μm x 225μm的介电超表面阵列上,接着通过高数值孔径物镜收集透射光并照射到光栅光谱仪上;1192nm和1372.6nm两个共振波长,以及非共振的波长1111nm,作为后面三次谐波增强的参照。
接着,三个波长处的三次谐波,并研究共振波长处三次谐波的增强倍数;此时所需要的器件为激光器、光学斩波器、半波片+线性偏振器、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、短通滤波器和光栅光谱仪。所选用的激光器是钛宝石激光器+光参量振荡器,提供波长可调的泵浦光束,泵浦强度为3.2GWcm-2,其调节范围为1.1-1.5μm(脉宽约为250fs,重复频率80MHz)。通过光学斩波器将连续光调制成固定频率的光,同时输出调制频率,通过半波片和线性偏振器对激光功率进行调整,偏振方向平行于长方形A中的b边方向,照射到低数值孔径物镜将弱光聚焦到大小为225μm x 225μm的介电超表面阵列上,接着通过高数值孔径物镜收集传输的三次谐波,并通过低通滤波器滤除红外泵浦光束,通过光电倍增管将微弱的光信号转换成电信号,从而测量三次谐波的增强倍数。
本发明具有以下有益效果:
1.该结构可以得到两个共振波长,既可以有效提高三次谐波的转换效率,还可以选择输入激光的共振波长从而可得到不同的三次谐波增强倍数,实现可调三次谐波增强;
2.输入不同的共振波长可以让电磁场局域在不同的元件中,从而实现光电开关的功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明;
图1为本发明的装置示意图;
图2为本发明的介电材料构造的微纳结构的最小周期性单元;
图3为本发明的介电材料构造的微纳结构排布图(大小为225μm x 225μm的介电超表面阵列);
图4为本发明的透射率图;
图5为本发明三次谐波的产量示意图;
图6为本发明的电磁场分布图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
参照图1,本具体实施方式采用以下技术方案:具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置,包括激光器1、光学斩波器2、半波片+线性偏振器3、低数值孔径物镜4、介电超表面样品5、高数值孔径物镜6、短通滤波器7和光栅光谱仪8,激光器1、光学斩波器2、半波片+线性偏振器3、低数值孔径物镜4、介电超表面样品5、高数值孔径物镜6、短通滤波器7和光栅光谱仪8依次相连;所述的介电超表面样品的为最小单元包括长方形A和正方形B,图2长方形A中,a是200nm,b是700nm;正方形B中c是400nm;整个最小的周期性单元边长为750nm的正方形。材料si的厚度为120nm,放置在2000nm厚的石英基底上。图3是大小为d的225μm×225μm的介电超表面阵列。
值得注意的是,所述的激光器1可替换为钨灯。
此外,所述的光栅光谱仪8可替换为光电倍增管。
所述的装置使用方法为:
首先,测量介电超表面的线性透射率,从而测得共振波长;此时所需要的器件为钨灯、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、光栅光谱仪;将钨灯作为光源通过低数值孔径物镜将弱光聚焦到大小为225μm x 225μm的介电超表面阵列上,接着通过高数值孔径物镜收集透射光并照射到光栅光谱仪上。从图4的透射率图可以发现1192nm和1372.6nm两个共振波长,并选择非共振的波长1111nm,作为后面三次谐波增强的参照。
接着,三个波长处的三次谐波,并研究共振波长处三次谐波的增强倍数;此时所需要的器件为激光器、光学斩波器、半波片+线性偏振器、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、短通滤波器和光栅光谱仪。所选用的激光器是钛宝石激光器+光参量振荡器,提供波长可调的泵浦光束,泵浦强度为3.2GWcm-2,其调节范围为1.1-1.5μm(脉宽约为250fs,重复频率80MHz)。通过光学斩波器将连续光调制成固定频率的光,同时输出调制频率,通过半波片和线性偏振器对激光功率进行调整,偏振方向平行于长方形A中的b边方向,照射到低数值孔径物镜将弱光聚焦到大小为225μm x 225μm的介电超表面阵列上,接着通过高数值孔径物镜收集传输的三次谐波,并通过低通滤波器滤除红外泵浦光束,通过光电倍增管将微弱的光信号转换成电信号,从而测量三次谐波的增强倍数。
图5显示了三次谐波的产量。当将1372.5nm作为激光中心波长输入时,可以发现其大约是非共振波长1111nm得到的三次谐波的32.5倍。当将1192nm作为激光中心波长输入时,其大约是非共振波长1111nm得到的三次谐波的67.8倍。从而实现了可调三次谐波增强。
图6是电磁场分布图。当将1372.5nm作为激光中心波长输入时,电磁场局域在正方形B中;当将1192nm作为激光中心波长输入时,电磁场局域在长方形A中。从而实现了光电开关的作用。
本具体实施方式的结构可以得到两个共振波长,既可以有效提高三次谐波的转换效率,还可以选择输入激光的共振波长从而可得到不同的三次谐波增强倍数,实现可调三次谐波增强;输入不同的共振波长可以让电磁场局域在不同的元件中,从而实现光电开关的功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置,其特征在于,包括激光器(1)、光学斩波器(2)、半波片+线性偏振器(3)、低数值孔径物镜(4)、介电超表面样品(5)、高数值孔径物镜(6)、短通滤波器(7)和光栅光谱仪(8),激光器(1)、光学斩波器(2)、半波片+线性偏振器(3)、低数值孔径物镜(4)、介电超表面样品(5)、高数值孔径物镜(6)、短通滤波器(7)和光栅光谱仪(8)依次相连;所述的介电超表面样品的最小单元包括长方形(A)和正方形(B),长方形(A)的尺寸为200nm×700nm,正方形(B)尺寸为400nm×400nm,整个最小的周期性单元变成为750nm的正方形,材料si的厚度为120nm,放置在2000nm厚的石英基底上。
2.根据权利要求1所述的具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置,其特征在于,所述的激光器(1)替换为钨灯。
3.根据权利要求1所述的具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置,其特征在于,所述的光栅光谱仪(8)替换为光电倍增管。
4.根据权利要求1所述的具有两种三次谐波增强以及光电开关功能的装置,其特征在于,所述的装置使用方法为:
首先,测量介电超表面的线性透射率,从而测得共振波长;此时所需要的器件为钨灯、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、光栅光谱仪;将钨灯作为光源通过低数值孔径物镜将弱光聚焦到大小为225μmx225μm的介电超表面阵列上,接着通过高数值孔径物镜收集透射光并照射到光栅光谱仪上;1192nm和1372.6nm两个共振波长,以及非共振的波长1111nm,作为后面三次谐波增强的参照;
接着,三个波长处的三次谐波,并研究共振波长处三次谐波的增强倍数;此时所需要的器件为激光器、光学斩波器、半波片+线性偏振器、低数值孔径物镜、介电超表面样品、高数值孔径物镜、短通滤波器和光栅光谱仪;所选用的激光器是钛宝石激光器+光参量振荡器,提供波长可调的泵浦光束,泵浦强度为3.2GWcm-2,其调节范围为1.1-1.5μm;通过光学斩波器将连续光调制成固定频率的光,同时输出调制频率,通过半波片和线性偏振器对激光功率进行调整,偏振方向平行于长方形(A)中的b边方向,照射到低数值孔径物镜将弱光聚焦到大小为225μmx225μm的介电超表面阵列上,接着通过高数值孔径物镜收集传输的三次谐波,并通过低通滤波器滤除红外泵浦光束,通过光电倍增管将微弱的光信号转换成电信号,从而测量三次谐波的增强倍数。
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