CN111273385A - 一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，当光入射到金属微纳器件时，抑制模式和透射模式会被激发，产生带宽只有几纳米的多透射峰。抑制模式能够抑制光的透射，是所述周期性薄金属光栅与所述高折射率介质层和所述低折射率介质层所形成的多阶杂化波导模式，透射模式能够增强光的透射，是所述高折射率介质层和所述低折射率介质层产生的多阶腔模式。当抑制模式和透射模式相互作用时，就能够产生超窄带多透射峰，得到可见光谱中两个或两个以上不同中心波长的透射峰。所提出的金属微纳器件在滤波、传感和检测方面具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及金属微纳光学器件领域，尤其涉及一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件。
背景技术
目前表面等离激元器件的优势在于能够克服衍射极限的限制,这是由于入射光与金属相互作用，金属表面的自由电子发生集体振荡，在金属-介质界面形成了一种沿着金属表面传播的电磁波，即表面等离激元波(Surface Plasmon Wave,SP)。作为光子和电子的“结合体”的SP能够将光场限制在亚波长尺寸范围内，从而能够调控纳米尺度范围内光与物质的相互作用。表面等离激元能够在金属微纳结构中形成共振(SPR)，可以极大地增强局域光场强度、提高光与物质之间的相互作用，被广泛应用于传感、纳米激光、拉曼增强、调制和探测等领域。但是在光波波段，由于金属的存在，其吸收和传播损耗极大，这些损耗会导致共振模式半峰宽的严重展宽，进而严重限制金属微纳光学器件的应用性能。因此，减小表面等离激元共振带宽对于实现高性能的金属微纳器件至关重要。
目前研究人员开发出的金属微纳器件大多只实现了某一特定波长的超窄带共振，或者实现了多波长共振但难以实现超窄带共振。然而在实际应用中，多波长的超窄带共振具有更广阔的应用。因此，目前需要一种能够实现多波长超窄带的金属微纳器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，旨在解决现有技术中的当前多波长的金属微纳光学器件在光频中品质因数低，进而影响传感灵敏度的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，包括低折射率介质层衬底、介质结构和周期性薄金属条光栅；所述介质结构与所述低折射率介质层衬底固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底的表面，所述周期性薄金属条光栅与所述介质结构固定连接，并位于所述介质结构远离所述低折射率介质层衬底的一侧；所述介质结构包括高折射率介质层和低折射率介质层，所述高折射率介质层与所述低折射率介质层衬底固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底靠近所述周期性薄金属条光栅的一侧，所述低折射率介质层与所述高折射率介质层固定连接，并与所述周期性薄金属条光栅固定连接，并位于所述低折射率介质层和所述周期性薄金属条光栅之间。
其中，所述周期性薄金属条光栅的材料为贵金属。
其中，所述周期性薄金属条光栅的占空比为0.5-0.8，厚度为20-100nm，周期为400-600nm，所述高折射率介质层的厚度为50-200nm，所述低折射率介质层的厚度为50-200nm。
其中，所述低折射率介质层衬底的折射率与所述低折射率介质层的折射率相同。
其中，所述低折射率介质层折射率大于1，所述高折射率介质层的折射率比所述低折射率介质层折射率高0.2及以上。
其中，所述介质结构的数量为两个，并位于所述低折射率介质层衬底和所述周期性薄金属条光栅之间，所述低折射率介质层和所述高折射率介质层依次连接。
其中，所述介质结构的数量为三个，并位于所述低折射率介质层衬底和所述周期性薄金属条光栅之间，所述低折射率介质层和所述高折射率介质层依次连接。
其中，所述介质结构的数量为四个，并位于所述低折射率介质层衬底和所述周期性薄金属条光栅之间，所述低折射率介质层和所述高折射率介质层依次连接。
本发明的一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，当光入射到基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件时，抑制模式和透射模式会被激发，产生带宽只有几纳米的多透射峰。抑制模式能够抑制光的透射，是所述周期性薄金属光栅与所述高折射率介质层和所述低折射率介质层所形成的多阶杂化波导模式，透射模式能够增强光的透射，是所述高折射率介质层和所述低折射率介质层产生的多阶腔模式。当抑制模式和透射模式相互作用时，就能够产生超窄带多透射峰，得到可见光谱中两个或两个以上不同中心波长的透射峰。所提出的金属微纳器件在滤波、传感和检测方面具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的介质结构为两层时的结构示意图。
图2是本发明的介质结构为两层时的模拟透射光谱图。
图3是本发明的介质结构为三层时的结构示意图。
图4是本发明的介质结构为三层时的模拟透射光谱图。
图5是本发明的介质结构为四层时的结构示意图。
图6是本发明的介质结构为四层时的模拟透射光谱图。
图中：1-低折射率介质层衬底、2-介质结构、3-周期性薄金属条光栅、21-高折射率介质层、22-低折射率介质层、100-基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实施方式的第一实施例：
请参阅图1和图2，本发明提供了一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件100，包括低折射率介质层衬底1、介质结构2和周期性薄金属条光栅3；所述介质结构2与所述低折射率介质层衬底1固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底1的表面，所述周期性薄金属条光栅3与所述介质结构2固定连接，并位于所述介质结构2远离所述低折射率介质层衬底1的一侧；所述介质结构2包括高折射率介质层21和低折射率介质层22，所述高折射率介质层21与所述低折射率介质层衬底1固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底1靠近所述周期性薄金属条光栅3的一侧，所述低折射率介质层22与所述高折射率介质层21固定连接，并与所述周期性薄金属条光栅3固定连接，并位于所述高折射率介质层21和所述周期性薄金属条光栅3之间。
进一步地，所述周期性薄金属条光栅3的材料为贵金属。
进一步地，所述周期性薄金属条光栅3的占空比为0.5-0.8，厚度为20-100nm，周期为400-600nm，所述高折射率介质层21的厚度为50-200nm，所述低折射率介质层22的厚度为50-200nm。
进一步地，所述低折射率介质层衬底1的折射率与所述低折射率介质层22的折射率相同。
进一步地，所述低折射率介质层22折射率大于1，所述高折射率介质层21的折射率比所述低折射率介质层22折射率高0.2及以上。
进一步地，所述介质结构2的数量为两个，并位于所述低折射率介质层衬底1和所述周期性薄金属条光栅3之间，所述低折射率介质层22和所述高折射率介质层21依次连接。
在本实施例中，运用真空电子束蒸发技术，在所述低折射率介质层衬底1上制备所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22所形成的结构，运用真空电子束蒸发技术，在所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22形成的结构上通过高能电子束轰击金属靶源，形成超薄金属层，然后运用光刻技术，对超薄金属层进行蚀刻，制得所述周期性薄金属条光栅3，所述周期性薄金属光栅的材质为银；所述低折射率介质层衬底1、两层所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22、所述周期性薄金属条光栅3从下至上依次连接，所述低折射率介质层衬底1的折射率为1.5，所述高折射率介质层21折射率为2，厚度为200nm，所述低折射率介质层22折射率为1.5，厚度为100nm，所述周期性薄金属条光栅3的周期为400nm，占空比0.8，金属厚度为40nm，当有两层所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22形成的结构时，可观察到在可见光谱中有两个高质量透射峰。所述介质结构2的层数是两个及两个以上，目前做到了7层所述介质结构，但是理论上两个及两个以上都可以，并且通过增加所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22，从而可得到更多中心波长；当光入射到金属微纳器件时，抑制模式和透射模式会被激发，产生带宽只有几纳米的多透射峰。抑制模式能够抑制光的透射，是所述周期性薄金属光栅3与所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22所形成的多阶杂化波导模式，透射模式能够增强光的透射，是所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22产生的多阶腔模式。当抑制模式和透射模式相互作用时，就能够产生超窄带多透射峰，得到可见光谱中两个或两个以上中心波长的透射峰。所提出的金属微纳器件在滤波、传感和检测方面具有广阔的应用前景。
在本实施方式的第二实施例：
请参阅图1、图3和图4，本发明提供了一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件100，包括低折射率介质层衬底1、介质结构2和周期性薄金属条光栅3；所述介质结构2与所述低折射率介质层衬底1固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底1的表面，所述周期性薄金属条光栅3与所述介质结构2固定连接，并位于所述介质结构2远离所述低折射率介质层衬底1的一侧；所述介质结构2包括高折射率介质层21和低折射率介质层22，所述高折射率介质层21与所述低折射率介质层衬底1固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底1靠近所述周期性薄金属条光栅3的一侧，所述低折射率介质层22与所述高折射率介质层21固定连接，并与所述周期性薄金属条光栅3固定连接，并位于所述低折射率介质层22和所述周期性薄金属条光栅3之间。
进一步地，所述周期性薄金属条光栅3的材料为贵金属。
进一步地，所述周期性薄金属条光栅3的占空比为0.5-0.8，厚度为20-100nm，周期为400-600nm，所述高折射率介质层21的厚度为50-200nm，所述低折射率介质层22的厚度为50-200nm。
进一步地，所述低折射率介质层衬底1的折射率与所述低折射率介质层22的折射率相同。
所述低折射率介质层22折射率大于1，所述高折射率介质层21的折射率比所述低折射率介质层22折射率高0.2及以上。
进一步地，所述介质结构2的数量为三个，并位于所述低折射率介质层衬底1和所述周期性薄金属条光栅3之间，所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22依次连接。
在本实施例中，所述低折射率介质层衬底1、三层所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22、所述周期性薄金属条光栅3从下至上依次连接，所述低折射率介质层衬底1的折射率为1.5，所述高折射率介质层21折射率为2，厚度为200nm，所述低折射率介质层22折射率为1.5，厚度为100nm，所述周期性薄金属条光栅3的周期为400nm，占空比0.8，金属厚度为40nm，当有三层所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22形成的结构时，可在可见光谱中有三个高质量的透射峰，进而得到三个高质量的滤波数据，使滤波效果更好。
在本实施方式的第三实施例：
请参阅图1、图5和图6，本发明提供了一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件100，包括低折射率介质层衬底1、介质结构2和周期性薄金属条光栅3；所述介质结构2与所述低折射率介质层衬底1固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底1的表面，所述周期性薄金属条光栅3与所述介质结构2固定连接，并位于所述介质结构2远离所述低折射率介质层衬底1的一侧；所述介质结构2包括高折射率介质层21和低折射率介质层22，所述高折射率介质层21与所述低折射率介质层衬底1固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底1靠近所述周期性薄金属条光栅3的一侧，所述低折射率介质层22与所述高折射率介质层21固定连接，并与所述周期性薄金属条光栅3固定连接，并位于所述高折射率介质层21和所述周期性薄金属条光栅3之间。
进一步地，所述周期性薄金属条光栅3的材料为贵金属。
进一步地，所述周期性薄金属条光栅3的占空比为0.5-0.8，厚度为20-100nm，周期为400-600nm，所述高折射率介质层21的厚度为50-200nm，所述低折射率介质层22的厚度为50-200nm。
进一步地，所述低折射率介质层衬底1的折射率与所述低折射率介质层22的折射率相同。
所述低折射率介质层22折射率大于1，所述高折射率介质层21的折射率比所述低折射率介质层22折射率高0.2及以上。
进一步地，所述介质结构2的数量为四个，并位于所述低折射率介质层衬底1和所述周期性薄金属条光栅3之间，所述低折射率介质层22和所述高折射率介质层21依次连接。
在本实施例中，所述低折射率介质层衬底1、四层所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22、所述周期性薄金属条光栅3从下至上依次连接，所述低折射率介质层衬底1的折射率为1.5，所述高折射率介质层21折射率为2，厚度为200nm，所述低折射率介质层22折射率为1.5，厚度为100nm，所述周期性薄金属条光栅3的周期为400nm，占空比0.8，金属厚度为40nm，当有四层所述高折射率介质层21和所述低折射率介质层22形成的结构时，可观察到在可见光谱中有四个不同中心波长的光透过该金属微纳器件，透过的四个波长分别为647nm、676nm、702nm和720nm，如此能得到高精度的滤波数据，使滤波效果更好。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，包括低折射率介质层衬底、介质结构和周期性薄金属条光栅；
所述介质结构与所述低折射率介质层衬底固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底的表面，所述周期性薄金属条光栅与所述介质结构固定连接，并位于所述介质结构远离所述低折射率介质层衬底的一侧；
所述介质结构包括高折射率介质层和低折射率介质层，所述高折射率介质层与所述低折射率介质层衬底固定连接，并位于所述低折射率介质层衬底靠近所述周期性薄金属条光栅的一侧，所述低折射率介质层与所述高折射率介质层固定连接，并与所述周期性薄金属条光栅固定连接，并位于所述高折射率介质层和所述周期性薄金属条光栅之间。
2.如权利要求1所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述周期性薄金属条光栅的材料为贵金属。
3.如权利要求2所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述周期性薄金属条光栅的占空比为0.5-0.8，厚度为20-100nm，周期为400-600nm，所述高折射率介质层的厚度为50-200nm，所述低折射率介质层的厚度为50-200nm。
4.如权利要求3所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述低折射率介质层衬底的折射率与所述低折射率介质层的折射率相同。
5.如权利要求4所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述低折射率介质层折射率大于1，所述高折射率介质层的折射率比所述低折射率介质层折射率高0.2及以上。
6.如权利要求5所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述介质结构的数量为两个，并位于所述低折射率介质层衬底和所述周期性薄金属条光栅之间，所述高折射率介质层和所述低折射率介质层依次连接。
7.如权利要求5所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述介质结构的数量为三个，并位于所述低折射率介质层衬底和所述周期性薄金属条光栅之间，所述高折射率介质层和所述低折射率介质层依次连接。
8.如权利要求5所述的基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件，其特征在于，
所述介质结构的数量为四个，并位于所述低折射率介质层衬底和所述周期性薄金属条光栅之间，所述高折射率介质层和所述低折射率介质层依次连接。
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| CN202010216122.XA CN111273385A (zh) | 2020-03-25 | 2020-03-25 | 一种基于多波长超窄带共振的金属微纳光学器件 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113791470A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-14 | 北京枭龙科技有限公司 | 共振光栅波导结构及近眼显示装置 |
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2020
- 2020-03-25 CN CN202010216122.XA patent/CN111273385A/zh active Pending
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