CN111045148A - 基于周期性亚波长蹄型结构孔阵列的表面等离子体分光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光子器件领域，特别是涉及一种基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，包括电介质基底和设于电介质基底上的产生表面等离子体的金属薄膜，金属薄膜上设有N个透光单元，N≥9，所述的透光单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的蹄型孔，该蹄型孔由一个U结构与一个矩形结构组成，所述的N个透光单元周期性阵列排列。本发明具有如下优点：1、本发明仅包括电介质基底和具有周期性阵列排布的透光单元的金属薄膜，结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成，且只需通过改变入射光的偏振方向便能实现动态调节分光比例；2、本发明通过改变入射光的偏振方向，同时实现该器件在不同波段的光开关的功能。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光子器件领域，特别是涉及一种基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器。
背景技术
随着社会的进步，电子器件已经很难满足人们对信息传输速度和存储量的需求，人们逐渐将目光转向了光子器件。而光子器件存在衍射极限的问题，使得光子器件无法小型化和集成化，极大限制了光子器件在信息领域的应用。
表面等离子体(Surface Plasmon,SP)具有亚波长、电场高度局域化以及局域场增强等优良特性。表面等离子体器件通过控制外部因素改变结构中SP的激发或传输，进而调控光的传输，从而实现对光的可控操作。在传统的分光器中，必须将器件的入射部、光检测元件及分光部等的各光学要素精准的放置，并使封装体紧密化。因此，对于使用环境十分苛刻。而分光器精度的增加，也会使得器件的集成更加困难。而表面等离子体光子器件在小于衍射极限尺度内实现对光的控制，从而在纳米尺度上实现器件的集成。因而利用表面等离子体设计并实现微纳光子器件可有效解决光子器件的衍射极限问题。例如在圆结构中镶嵌一个尖端，通过改变入射光的偏振方向，使其透射峰发生移动，从而达到对光的通断进行控制的效果(国家发明专利：一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，ZL201710497191.0)；或者设计由不同数量的圆环嵌套组成滤光器，通过控制圆环的数量来实现控制滤光通道数量(中国发明专利申请：基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，公开日：2019.04.26)。
然而现有表面等离子体器件都存在结构复杂、损耗过大以及难以集成的问题，最重要的一点是，在器件制造完成后，表面等离子体器件的功能单一，可调性差，无法进行多波段同时调节，也无法达到多种功能的同时实现的目的，不能很好的满足多场合复杂环境的要求；
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，通过在金属薄膜上周期性地设置亚波长蹄型孔阵列，使得表面等离子体分光器结构简单操作方便，尺寸小便于集成，而且能够同时实现不同波段光开关的应用。
本发明的技术方案是：一种基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，包括电介质基底和设于电介质基底上的产生表面等离子体的金属薄膜，金属薄膜上设有N个透光单元，N≥9，所述的透光单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的蹄型孔，该蹄型孔由一个U结构与一个矩形结构组成，所述的N个透光单元周期性阵列排列。
进一步地，所述的电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯。
进一步地，所述电介质的厚度为175nm-225nm。
进一步地，所述的金属薄膜的材料为银或金。
进一步地，所述金属薄膜的厚度为50nm-150nm。
进一步地，所述的N个透光单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形。
进一步地，所述的N个透光单元的排列周期Px，Pz均为500nm-700nm。
进一步地，所述的蹄型孔结构中，(1)U结构弧形部分的内半径R1为100nm，外半径R2为200nm，尖端部分长S和宽(R2-R1)分别为50nm和100nm；(2)矩形部分长W和宽H分别为50nm和400nm；(3)两个部分之间的间距D为50nm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的表面等离子体分光器，仅包括电介质基底和具有周期性阵列排布的透光单元的金属薄膜，结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成，且只需通过改变入射光的偏振方向便能实现动态调节分光比例。
2、本发明的表面等离子体分光器，通过改变入射光的偏振方向，同时实现该器件在不同波段的光开关的功能。且能够通过改变金属薄膜厚度、透光单元排列周期、蹄型结构中U结构部分和矩形结构部分的间距、U结构中尖端的长度等几何参数对该器件的性能参数进行调节，从而满足不同环境下该分光器的使用要求。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为表面等离子体分光器的结构示意图；
图2为表面等离子体分光器中透光单元的结构示意图；
图3为表面等离子体分光器的工作状态(不同入射光偏振方向)透光单元石英/银界面处(x,z)平面内z方向电场分量Ez的空间分布图；
图4为表面等离子体分光器的光透过率谱图；
图5为实施例一的分光器在中红外波段区域中不同入射光偏振角度下的透过率；
图6为实施例二的分光器在近红外波段区域中实现光开关功能时不同S长度下的光透过率谱及开关比图；
图7为实施例三的分光器在近红外波段区域中实现光开关功能时不同D长度下的光透过率谱及开关比图；
具体实施方式
如图1所示，基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，包括电介质基底1和设于电介质基底1上的产生表面等离子体的金属薄膜2，金属薄膜2上设有N个透光单元3。
所述的电介质基底1的电介质材料为石英，所述电介质的厚度为225nm；所述的金属薄膜2的材料为银，所述金属薄膜2的厚度为50nm。
N个所述的透光单元3排列形成的阵列的形状为正方形，N个所述的透光单元3的排列周期Px，Pz均为600nm。如图2所示，所述的透光单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的U结构弧形3-1和尖端3-2以及一个间隔开的大矩形3-3，N个所述的透光单元3周期性阵列排列。
所述的U结构中弧形3-1的内半径R1为100nm，外半径R2为200nm，尖端3-2的数量为两个，长S和宽(R2-R1)分别为50nm和100nm，所述矩形3-3的长W和宽H分别为50nm和400nm，U结构弧形3-1和尖端3-2与矩形3-3之间的间距D为50nm。
光线k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2时，表面等离子体分光器处于工作状态。如图3所示，当入射光偏振方向为0度时，在U结构的两个尖端3-2中积聚大量电荷，使得局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon,LSP)模式增强。随着入射光偏振方向的增加，U结构中两个尖端3-2的电荷逐渐往弧形3-1中间靠拢，矩形3-3中电荷增多，LSP模式也逐渐增强。最终使得透光单元3中的U结构弧形3-1和尖端3-2部分与矩形3-3部分形成了一个不对称的法诺共振模式，从而导致近红外波段的透射峰发生分裂，中红外波段产生一个新的透射峰，如图4所示。
实施例一：
如图5所示，当入射光偏振角度θ从0度、10度、20度、30度、40度、50度、60度、70度、80度、90度逐渐增加时，近红外波段两个透射峰的中心波长基本不发生移动，且第一峰的透过率由0.6891减少到0.175，第二峰的透过率0.121由增加到0.9107。特别的是，当入射光偏振角度θ为40度时，两个透射峰的透过率基本相等，可以实现两个通道的光功率均分的效果。由此可知，通过改变入射光偏振方向可大大调节第一峰和第二峰的透过率，从而满足不同光子器件对于表面等离子体分光器分光效果和透过率的要求。
实施例二：
如图6所示，当尖端的长度S从0nm、2nm、4nm、6nm、8nm、10nm逐渐增加时，中红外波段透射峰在入射光偏振角度θ为90度时的中心波长稍微往中心波长大的方向移动，透过率由0.4558增加到0.5409，开关比由7.1dB增加到13.2dB。由此可知，通过调节表面等离子体分光器的U结构的尖端的长度S可改善表面等离子体分光器在中红外波段实现光开关功能的透过率及开关比，从而光开关的效果和透过率的要求。
实施例三：
如图7所示，当U结构尖端3-2与矩形3-3之间的间距D从2nm、4nm、6nm、8nm、10nm逐渐增加时，中红外波段透射峰在入射光偏振角度θ为90度时的中心波长稍微往中心波长小的方向移动，透过率由0.166增加到0.5409，开关比由9.7dB增加到13.1dB。由此可知，通过调节表面等离子体分光器的U结构尖端3-2与矩形3-3之间的间距D可改善表面等离子体分光器在中红外波段实现光开关功能的透过率及开关比，从而光开关的效果和透过率的要求。
本发明通过改变入射光偏振方向来影响U结构与矩形结构的LSP共振模式，使其形成不对称的法诺共振，从而对表面等离子体效应产生影响；并选择电介质的材料和厚度、金属薄膜的的材料和厚度、透光单元的数量和排列周期、U结构尖端长度、左右两部分结构之间的间距、入射光偏振角度等为不同的参数，控制红外波段产生的透射峰的位置、透过率以及数量，实现对光的不同控制，从而获得表面等离子体分光器在近红外波段分光以及中红外波段光开关的不同性能。
本发明从理论上证实了通过基于蹄形的超材料纳米结构设计多功能光子器件的可行性，这为未来多种物理机制的广泛利用以在简单的纳米结构中实现众多功能提供了广阔的前景，拓展金属结构在通信及信息处理领域的应用范围，在生物医学、红外遥感技术和红外拍摄等领域产生巨大的影响。
Claims (8)
1.一种基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：包括电介质基底和设于电介质基底上的产生表面等离子体的金属薄膜，金属薄膜上设有N个透光单元，N≥9，所述的透光单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的蹄型孔，该蹄型孔由一个U结构与一个矩形结构组成，所述的N个透光单元周期性阵列排列。
2.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯。
3.一种根据权利要求2所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述电介质的厚度为175nm-225nm。
4.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述金属薄膜的材料为银或金。
5.一种根据权利要求4所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述金属薄膜的厚度为50nm-150nm。
6.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述N个透光单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形。
7.一种根据权利要求1所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述N个透光单元的排列周期Px，Pz均为500nm-700nm。
8.一种根据权利要求1至7任一条所述基于周期性亚波长蹄型孔阵列的表面等离子体分光器，其特征在于：所述蹄型孔结构中，(1)U结构弧形部分的内半径为100nm，外半径为200nm，尖端部分长S和宽(R2-R1)分别为50nm和100nm；(2)矩形部分长W和宽H分别为50nm和400nm；(3)两个部分之间的间距D为50nm。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112630878A (zh) * | 2021-01-12 | 2021-04-09 | 西安电子科技大学 | 基于纳米孔阵列结构的滤光片 |
| CN113311598A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-27 | 桂林电子科技大学 | 一种基于非对称开口槽超材料的相干调制光开关 |
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