CN111610649A - 一种窄带超表面器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄带超表面器件，包括由上至下依次设置的凹槽天线超表面层、缓冲介质层、可调介质层组和基底层，可调介质层组包括可调介质层和设于其上下表面的透明电极层；凹槽天线超表面层包括凹槽天线超表面结构，该结构包括呈周期分布的超表面天线单元，超表面天线单元中设有凹槽，使超表面天线单元的开口率大于0.7；缓冲介质层和基底层的折射率均低于可调介质层的折射率。本发明器件的反射率曲线具有极窄的带宽，反射峰半高宽在2nm以内，同时该结构中可调介质层的变化可以改变反射率曲线的共振波长，使其在可见光范围或更大范围内变化，并保持超高的效率与极窄的带宽，可应用于光谱探测与光谱检查等领域。

Description

一种窄带超表面器件
技术领域
本发明涉及超表面器件，特别是涉及一种窄带超表面器件。
背景技术
超表面是由周期性排列的谐振亚波长元件组成的平面阵列，通过引入相位突变，摆脱对传播效应的依赖，并在塑造波前和光学设计中获得新的自由度。与通常由复杂的三维人工纳米结构组成的超材料相比，超表面具有更高的电磁特性，并具有占用更少物理空间的优势，从而提供了更小的结构损耗，因此超表面由于其平面轮廓而有望在光学器件的设计上具有更好的优势。
目前，超表面器件的工作波段主要在微波波段和太赫兹波段，工作在可见光波段和红外波段的比较少。而在可见光波段利用超表面结构进行频率选择的技术还不是非常成熟，依然具有带宽较宽，效率较低且滤波光谱仍存在次级峰等许多问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种窄带超表面器件，可以获得高的反射效率和极窄的带宽，可应用于光谱探测和光谱检查等领域。
技术方案：本发明的窄带超表面器件，包括由上至下依次设置的凹槽天线超表面层、缓冲介质层、可调介质层组和基底层，可调介质层组包括可调介质层和设于其上下表面的透明电极层；所述凹槽天线超表面层包括凹槽天线超表面结构，该结构包括呈周期分布的超表面天线单元，超表面天线单元中设有凹槽，使超表面天线单元的开口率大于0.7；所述缓冲介质层和基底层的折射率均低于可调介质层的折射率。
本发明所述的窄带超表面器件中，凹槽天线超表面层的厚度大于金属的趋肤深度，小于150纳米；缓冲介质层的厚度在0纳米至100纳米之间；可调介质层的厚度同样对反射率曲线的共振波长具有调节作用，可以通过需要的共振波长值进行设定，可见光波段厚度可以在几纳米和几百纳米之间变动；透明电极层的厚度一般在几纳米～几十纳米之间变动；基底层的厚度在几百纳米至几毫米之间变动。
凹槽天线超表面层由周期性分布的壁极薄的凹槽天线超表面构成，其中，超表面天线单元的开口率＝凹槽单元围成的表面积/超表面天线单元围成的表面积；为使器件达到窄带高效的反射效果，凹槽天线超表面结构的超表面天线单元的开口率应大于0.7。
优选地，结合器件的制作工艺上综合考虑，所述超表面天线单元的开口率为0.8～0.9。
其中，超表面天线单元和凹槽单元形状可相同，亦可不相同；如超表面天线单元和凹槽单元均为正方形柱体，或超表面天线单元为长方形柱体，而凹槽为圆柱体；超表面天线单元和凹槽单元亦可以品字形或其它形状分布。品字形分布可见说明书附图的图5所示。
缓冲介质层由一层连续的介质层构成，折射率低于其下面的可调介质层；基底层亦由一层连续的介质层组成，折射率低于可调介质层。优选的可调介质层的折射率在1.6～2.8之间，缓冲介质层的折射率在1.3～1.7之间，基底层的折射率在1.3～2.0之间，缓冲介质层和基底层的折射率与可调介质层的折射率相比低0.2～1.5。即：缓冲介质层与可调介质层的折射率差为Δn1，基底层与可调介质层的折射率差为Δn2；其中，0.2≤Δn1≤1.5，0.2≤Δn2≤1.5。
可调介质层组上下各包含一层透明的电极层，中间为一层连续的可调介质层，可在透明电极层施加电压，可调介质层的折射率可通过其上下所施加的电压调节。其中，可调介质层可采用折射率可电调、折射率可磁调或折射率温度可调的材料中任意一种。
发明原理：本发明中的窄带超表面器件，其由于天线开口较大，可以使得入射光大部分都透射出去。在特定波长下，入射光与凹槽天线超表面层形成的表面等离子激元以及缓冲介质层、可调节介质层和基底层构成的平面波导形成的导模共振相互作用，引起耦合共振，产生高效极窄的反射率曲线，同时透明电极层与可调介质层也可以形成谐振腔结构，对反射曲线进行调节。可调介质层可以由电光材料构成，其上施加的电压使得可调介质层折射率发生改变，从而使反射光的共振波长发生较大移动，使超表面拥有了动态调节的能力。
本发明器件的反射率曲线具有极窄的带宽，反射峰半高宽在2nm以内。同时，该结构中可调介质层的折射率变化可以改变反射率曲线的共振波长，使其在可见光范围或更大范围内变化，并保持超高的效率与极窄的带宽，可应用于光谱探测与光谱检查等领域。
进一步地，入射光的波长范围为可见光波段380～780nm；所述器件的反射率曲线具有极窄的带宽，反射峰半高宽≤2nm。
进一步地，所述凹槽天线超表面层的材料为金属，优选的材料为银、金、铝或其合金。
进一步地，所述缓冲介质层的材料可以为折射率略低的介质材料，如氟化镁、二氧化钛、二氧化硅、硫化锌等。优选地，缓冲介质层的材料为氟化镁、二氧化钛、二氧化硅或硫化锌中任意一种。
其中，所述可调介质层的材料折射率可电调或折射率可磁调或折射率温度可调的材料，可电调的如有机晶体DAST，液晶，石墨烯等；可磁调的如铁氧体材料；温度可调的如二氧化钒等。
其中，所述基底层的材料可以选用二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、二氧化钛等。
其中，所述透明电极层材料可以选用In2O3-SnO2、石墨烯、PEDOT：PSS等材料。
有益效果：
(1)本发明的超表面器件是一种可控反射型超表面，通过等离子体激元和导膜共振的交互作用，可以获得极窄的反射共振峰；
(2)本发明的一种高效窄带的凹槽天线超表面器件，它的反射率曲线具有极窄的带宽，反射峰半高宽在2nm以内；同时，该结构中介质层的变化可以改变反射率曲线的共振波长，使其在可见光范围或更大范围内变化，并保持超高的效率与极窄的带宽，可应用于光谱探测与光谱检查等领域。
附图说明
图1为一种窄带超表面器件的三维结构示意图；
图2为一种窄带超表面器件的二维俯视示意图；
图3为一种窄带超表面器件的反射曲线图；
图4为一种窄带超表面器件的随可调介质层的折射率变化的反射曲线变化图；
图5为超表面天线单元和凹槽单元呈品字形分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明的窄带超表面器件的三维结构图，该器件包括由上至下依次设置的凹槽天线超表面层1、缓冲介质层2、可调介质层组7和基底层6；可调介质层组7包括可调介质层4和设于其上下表面的透明电极层(即第一透明电极层3和第二透明电极层5)，可调介质层组7的中间为一层连续的可调介质层4，可在透明电极层施加电压，可调介质层4的折射率可通过其上下所施加的电压调节。
凹槽天线超表面层1包括凹槽天线超表面结构，该结构包括呈周期性分布的超表面天线单元，超表面天线单元中设有凹槽，为达到窄带高校的反射效果，该结构的超表面天线单元的开口率大于0.7；本实施例中凹槽天线超表面层1的材料为金属。
缓冲介质层2由一层连续的介质层构成，折射率低于其下面的可调介质层4；基底层6亦由一层连续的介质层组成，折射率低于可调介质层4。优选的可调介质层的折射率在1.6～2.8之间，缓冲介质层的折射率在1.3～1.7之间，基底层的折射率在1.3～2.0之间，缓冲介质层和基底层的折射率与可调介质层的折射率相比低0.2～1.5。
由于天线开口较大，可以使得入射光大部分都透射出去。在特定波长下，入射光与金属凹槽天线形成的表面等离子激元以及缓冲介质层、可调介质层和基底层构成的平面波导形成的导模共振相互作用，引起耦合共振，产生高效极窄的反射率曲线，同时透明电极层与可调介质层也可以形成谐振腔结构，对反射曲线进行调节。可调介质层可由电光材料构成，其上施加的电压使得可调介质层折射率发生改变，从而使反射光的共振波长发生较大移动，使超表面拥有了动态调节的能力。
图2所示为窄带超表面器件的俯视示意图，可以看到凹槽天线超表面层1在一层金属层上周期性的分布有金属凹槽，即超表面天线单元中设有金属凹槽；该金属凹槽的开口率为金属凹槽的面积除以超表面单元的面积，即a＝Sa/ST，其中Sa为金属凹槽的面积，ST为超表面单元的面积。当金属凹槽的形状为长方体时，如图2的俯视图所示，
Figure BDA0002497368770000041
为保证窄带效果，开口率需大于0.7。
实施例1：
本实施例中的窄带超表面器件的结构如图1和图2所示。该凹槽天线超表面层1中超表面单元和金属凹槽单元的二维俯视均为正方形，即T1＝T2，W1＝W2。凹槽天线超表面层的材料为Ag，周期T1＝T2＝340nm，W1＝W2＝306nm，则此时开口率为0.81，凹槽天线超表面层1的厚度为80nm。缓冲介质层2的厚度为60nm，材料为氟化镁。第一透明电极层3和第二透明电极层5的厚度为5nm，材料为In2O3-SnO2。可调介质层4的厚度为120nm，材料为有机晶体DAST。基底层6的材料为SiO2，厚度为300nm。本实施例中，可调介质层4的折射率固定，透明电极层不施加电压，利用它的类似于MIM(金属-介质层-金属)的结构对反射率曲线进行调节。以线极化光垂直入射，入射波长的范围从400nm到700nm变化时，该实施例的反射率曲线如图3所示。从图中可以看出，金属凹槽天线超表面的反射率曲线共振峰处于566nm处，峰值效率为76％，尤为突出的是，该曲线具有极窄的带宽，反射峰半高宽仅为2nm。
实施例2：
本实施例中的窄带超表面器件的结构如图1和图2所示。该凹槽天线超表面层1中超表面单元和金属凹槽单元的二维俯视均为正方形，即T1＝T2，W1＝W2。凹槽天线超表面层的材料为Ag，周期T1＝T2＝340nm，W1＝W2＝306nm，则此时开口率为0.81，凹槽天线超表面层1的厚度为80nm。缓冲介质层2的厚度为60nm，材料为氟化镁。透明电极层厚度为5nm，材料为In2O3-SnO2。可调介质层4的厚度为120nm，材料为有机晶体DAST。基底层6的材料为SiO2，厚度为300nm。本实施例中，透明电极层施加电压，利用电压调节可调介质层4的折射率。以线极化光垂直入射，入射波长的范围从400nm到700nm变化时，该实施例的反射率曲线如图4所示。由图中可以明显看出，随着可调介质层折射率的变化，超表面的反射率曲线发生显著变化，共振波长从蓝光波段移动到红光波段，即从484nm移动到658nm，几乎可以覆盖整个可见光区域。反射率的峰值大小很高，均大于70％，带宽极窄，反射峰半高宽均小于2nm。显然，可调介质层折射率对超表面的反射率曲线能够进行有效的调节，将高效窄带的共振峰在整个可见光波段内移动，保证了凹槽天线超表面的可控性。
本发明的窄带超表面器件可以使用电子束蒸发和电子束刻蚀技术进行制备。首先在基底层上通过电子束蒸发沉积In2O3-SnO2，形成透明电极层，然后再在其上沉积电光材料，并在电光材料上再次沉积In2O3-SnO2，形成透明电极层，接着再在其上沉积缓冲介质层。最后再利用电子束刻蚀技术和剥离技术在其上获得凹槽天线超表面层。

Claims (10)

1.一种窄带超表面器件，其特征在于：包括由上至下依次设置的凹槽天线超表面层、缓冲介质层、可调介质层组和基底层，可调介质层组包括可调介质层和设于其上下表面的透明电极层；所述凹槽天线超表面层包括凹槽天线超表面结构，该结构包括呈周期分布的超表面天线单元，超表面天线单元中设有凹槽，使超表面天线单元的开口率大于0.7；所述缓冲介质层和基底层的折射率均低于可调介质层的折射率。
2.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述超表面天线单元的开口率为0.8～0.9。
3.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述可调介质层的折射率为1.6～2.8，缓冲介质层的折射率为1.3～1.7，基底层的折射率为1.3～2.0。
4.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：缓冲介质层与可调介质层的折射率差为Δn1，基底层与可调介质层的折射率差为Δn2；其中，0.2≤Δn1≤1.5，0.2≤Δn2≤1.5。
5.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：入射光的波长范围为可见光波段380～780nm。
6.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述器件的反射率曲线的反射峰半高宽≤2nm。
7.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述凹槽天线超表面层的材料为金属。
8.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述缓冲介质层的材料为氟化镁、二氧化钛、二氧化硅或硫化锌。
9.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述可调介质层的材料为折射率可电调的、折射率可磁调的或折射率温度可调的，所述透明电极层的材料为In2O3-SnO2、石墨烯或PEDOT:PSS。
10.根据权利要求1所述的窄带超表面器件，其特征在于：所述基底层的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲脂或二氧化钛。
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