CN114167529B - 一种手性调控电磁诱导透明现象的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手性调控电磁诱导透明现象的结构，该结构利用三层金属条的不对称性，通过表面等离激元效应来增强结构的手性响应，解决了原有手性超材料结构体系手性响应不明显，无法仅通过圆偏光相位来调控EIT‑like窗口的有无问题。

Description

一种手性调控电磁诱导透明现象的结构
技术领域
本发明属于微纳光子学领域，具体为一种手性调控电磁诱导透明现象的结构。
背景技术
电磁诱导透明(EIT)现象最开始研究于原子系统中，是一种量子相消干涉现象，其在非线性光学处理，超快开关以及光学存储等方面有着巨大的应用价值。EIT的概念和相关方法提出之后，研究人员在实验和理论方面都进行了相关探索，并取得了不错的成果。然而，要在片上系统实现EIT需要很苛刻的条件。近些年，研究人员在一些经典的结构中发现了类似原子系统的EIT现象，称之为类电磁诱导透明，即EIT-like。在纳米光子学领域，人们基于金属-介质-金属(MIM)波导，超材料体系等对EIT-like现象进行了诸多的研究。但是，在这些研究中几乎没有涉及圆偏光对电磁透明窗口有无的调控，即右旋光入射时透明窗口出现，左旋光时消失，反之亦然。
中国专利申请CN202011193972.9公开了实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，包括基底以及在基底上周期排列的介质单元，每个介质单元中设置有竖直空腔和水平空腔，竖直空腔和水平空腔互相垂直并连通，构成十字空腔，所述十字空腔为非对称结构。该材料的突出特点是每一个结构单元都由介质空腔组成。相对金属超材料，没有欧姆损耗带来的热效应，该超材料可以获得较高的透射率和品质因子。
能使左右旋光产生不同光学响应的结构一般称之为手性结构。自然界中存在的手性结构中的手性响应都很微弱，这是因为结构本身尺寸和入射光波不匹配造成的。而等离子体手性超材料结构体系则可以通过人工设计来有效的增强光学手性响应。利用光学手性响应实现对电磁诱导透明窗口有无的调控在光学主动调控方面具有重要意义。同时这也将进一步拓宽超材料结构体系尤其是手性超材料的广泛应用。能否仅利用手性超材料结构，通过简单的左右旋光的转换来调控电磁诱导透明窗口的有无是本发明要解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种手性调控电磁诱导透明现象的结构，该结构利用三层金属条的不对称性，通过表面等离激元效应来增强结构的手性响应。本发明主要解决原有手性超材料结构体系手性响应不明显，无法仅通过圆偏光相位来调控EIT-like窗口的有无问题。
更为具体的，本发明采用如下技术方案，一种手性调控电磁诱导透明现象的结构，包含周期性三层金属条，从上到下一次顺时针旋转45度，构成手性超材料体系，结构整体处于各向同性的均匀介质环境中，入射光的方向为+z方向，经微结构后激发系统的表面等离激元。由于结构的手性特征，不同的偏振光会产生不同的光学响应。
在本发明的优选的实施方式中，三层金属条材料为银(Ag)或金（Au）；更优选的，三层金属条材料均为银(Ag)。
在本发明的优选的实施方式中，三层金属条的z方向与中心轴线重合。
在本发明的优选的实施方式中，入射光为圆偏光。
在本发明的优选的实施方式中，圆偏光波长范围为600 nm~1500 nm。
与现有技术相比，本发明将表面等离激元手性超材料的优势和EIT-like现象在慢光等方面的应用结合起来，通过周期性表面等离激元微结构实现对电磁诱导透明窗口有无的调控，提出了一种手性调控电磁诱导透明现象的结构。该结构体系相对简单，由周期性的三层金属条以不同的夹角组成，结构整体处于各向同性的均匀介质中。
该结构通过结构参数优化可使得系统具有很大的手性响应，使系统透射谱在不同圆偏光入射时表现为明显不同的类型，即RCP入射时，透射谱表现为EIT-like型，LCP入射时，透射谱表现为洛伦兹线型。也即通过改变圆偏光的相位即可调控电磁诱导透明窗口的有无。除此之外，改变周围环境介质的折射率可使透射谱线性变化。
本发明仅利用微结构就实现EIT-like窗口有无调控，技术方案简单，可操作性强，极大的拓展了手性超材料的应用范围。
附图说明
下面结合附图做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
其中，1-各项同性均匀介质；2-金属条银层。
图2为本发明中结构参数优化后的系统透射谱；
图3为λ=789 nm波长光入射时的归一化电场模值分布图；
图4 不同环境折射率对应的透射谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本发明中的结构图单元胞，如图1所示。该单元胞由三层金属条组成，从上层到中层再到下层依次顺时针旋转45度，三层金属条的长度L和宽度w是一样的，上层和下层金属条的高度d一样，中间金属条的高度为h。本发明中用到的金属材料为银(Ag)，其色散关系用drude模型表示：(ε∞, ωp, γ)=(3.7, 9.1 eV, 0.018 eV)。周期性微结构的表面等离激元很容易被激发，本发明利用手性超材料的手性响应特性，故入射光选择圆偏光；三层超材料结构的设计使系统具有巨大的不对称性，RCP和LCP入射时，系统表面等离激元激发，系统透射谱具有明显不同的特征。
为了使系统具有巨大的手性响应谱，对结构参数进行了优化计算，以使仅利用圆偏光的相位就可以调控电磁诱导透明窗口的有无。仿真得到的透射谱如图2所示(此时周围环境折射率为n=1.0)。实线表示右旋光RCP入射，虚线表示左旋光LCP入射时的透射谱曲线。从中可以看出，在λ=789 nm时，RCP与LCP对应的透射谱表现为一个峰和谷。也即表明在RCP/LCP相互转换过程中(相位变化过程)，电磁诱导透明窗口会出现有无的变化。此时结构参数分别为：周期Px=Py=500 nm，w=30 nm，h=100 nm，d=50 nm，L=200 nm。
图3给出了波长为λ=789 nm时，RCP(左图)和LCP(右图)分别入射时电场模值|E|分布图。从中可以看出，不同圆偏振光下的每一层金属条附近的电场分布都不同。
图4给出了不同环境折射率时的透射谱的变化规律。从中可以看出，电磁诱导透明窗口随着折射率改变而线性平移，为实现特定波段的电磁诱导透明提供了参考。
另外，本发明中所有的计算结果都是基于有限元方法完成的。本发明提出的结构体系，金属条材质为金时，也有类似的结果。
可见，本发明基于表面等离激元共振效应，极大的提高了系统的光学手性响应，进一步拓展了手性表面等离激元结构在主动调控方面的应用。
以上所述的是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的范围进行的限定，在不脱离本发明设计精神和原则的前提下,本领域的技术人员依然可以对上述各实例的技术方案进行修改和改进，但修改与改进措施均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种手性调控电磁诱导透明现象的结构，其特征在于，包含周期性三层金属条，从上到下一次顺时针旋转45度，构成手性超材料体系，结构整体处于各向同性的均匀介质环境中，入射光的方向为+z方向，经微结构后激发系统的表面等离激元；三层金属条的z方向与中心轴线重合；入射光为圆偏光，圆偏光波长范围为600 nm~1500 nm；该结构利用三层金属条的不对称性，通过表面等离激元效应来增强结构的手性响应，进而仅通过改变左右旋光就能实现电磁诱导透明窗口有无的调控。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，三层金属条材料为银(Ag)或金（Au）。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，三层金属条材料均为银(Ag)。
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