CN207895095U - 一种宽光谱变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种宽光谱变换器，能够适用于结构简明，能够广泛适于于各种应用环境。该宽光谱变换器包括两个完全相同的等腰三棱柱,尺寸为纳米量级，等腰三棱柱的表面为金属材料，两个等腰三棱柱的尖端正对并保持间隙，尖端处的对等棱边组成的平面作为两个等腰三棱柱的对称面，待变换光谱激光的偏振方向在所述对称面内，且垂直于所述对等棱边，两个等腰三棱柱的结构参数满足并决定：待变换光谱激光同时辐照在临近间隙的两个等腰三棱柱尖端部分时,在金属表面激发表面等离子激子,激子辐射光谱表现出与入射激光光谱的相应调制效果。
Description
技术领域
本申请属于纳米光子学技术领域，具体涉及一种宽光谱变换器。
背景技术
激光光谱变换技术一直是光学领域的重点发展方向。其技术思路是，借助一些光学效应或光学过程以作用待变换光谱，实现光谱强度、频段、谱宽等参数的调制。纵观激光技术发展历程，最为常用的光学过程是基于光学晶体中非线性光学效应的合频、差频过程。除了可用光学晶体种类极为有限这个限制因素之外，光学晶体中折射率色散特性也使得相位匹配成为该类光谱变换技术的固有技术难题。而当待变换光谱较宽时，传统的基于光学晶体非线性光学效应的光谱变换技术更显得无能为力。
在宽光谱变换技术领域，目前常采用的空芯充气光纤谱变换技术。该技术利用的是待变换激光与光纤中气体的非线性作用(主要是自相位调制效应)，从而实现对激光光谱的变换。但该技术的缺点是，系统庞大、技术调节复杂。在一些对小型化、紧凑型具有苛刻要求的应用环境，该技术并不适用。
实用新型内容
本实用新型提出了一种宽光谱变换器，能够适用于结构简明，能够广泛适于于各种应用环境。
本实用新型的基本原理为：该宽光谱变换器结构包括两个完全相同的纳米量级等腰三棱柱,中间形成间隙区。当待变换光谱激光同时辐照在临近间隙区的两三棱柱尖端部分时,可在金属表面激发表面等离子激子,根据材料特性和结构特征不同,激子辐射光谱会表现出与入射激光光谱的相应调制效果。
本实用新型的技术方案如下：
该宽光谱变换器，包括两个完全相同的等腰三棱柱,尺寸为纳米量级，等腰三棱柱的表面为金属材料，两个等腰三棱柱的尖端正对并保持间隙，尖端处的对等棱边组成的平面作为两个等腰三棱柱的对称面，待变换光谱激光的偏振方向在所述对称面内，且垂直于所述对等棱边，两个等腰三棱柱的结构参数(主要涉及表面材料特性和结构尺寸特征)满足并决定：待变换光谱激光同时辐照在临近间隙的两个等腰三棱柱尖端部分时,在金属表面激发表面等离子激子,激子辐射光谱表现出与入射激光光谱的相应调制效果。
基于以上方案，本实用新型还进一步作了如下优化：
等腰三棱柱为金属一体件。等腰三棱柱本体也可以是其他材料，但其表面必须为特定金属材料，且金属材料厚度必须能够保证产生金属表面等离子体。
等腰三棱柱的表面材料为金或银。如果等腰三棱柱为金属一体件，即为金或银材质的三棱柱。
两个等腰三棱柱的尖端之间的间隙d为15～40nm。
等腰三棱柱的厚度t为30～100nm；三棱柱底面的底边b为30～100nm、底面的高h为20～300nm。
等腰三棱柱最好为薄片型三棱柱，即t＜b，t＜h。
本实用新型的优点是：
1.本申请提出的薄片型双金属三棱柱纳米结构，其光谱变换功能的内在物理机制是表面等离子体机制，完全不同于传统的光学晶体中的非线性光学效应，因而没有固有相位匹配条件的制约，技术调节简单，易于实现小型化、紧凑型设计。
2.本申请提出的薄片型双金属三棱柱纳米结构，其光谱变换效果取决于该纳米结构材料特性和结构特征，这使得其特性设计有多个调节参数和维度，更具灵活性和调谐性。
3.本申请提出的基于薄片型双金属三棱柱纳米结构的光谱变换技术，可作为其他更复杂结构电磁辐射调制技术设计的基础和借鉴，如引入更多金属层等。因而具备普适性和代表性。
附图说明
图1为本实用新型的薄片型双金属三棱柱纳米结构示意图。
图2为图1的俯视示意图；图中，两金属三棱柱之间的双向箭头指示了激光偏振方向。
图3为h＝90nm及h＝190nm条件下本实用新型的共振特性。
图4为纳米等离子光场中心波长与入射脉冲宽度和参数h的依赖关系。
图5为h＝90nm和h＝190nm时的光谱变换效果(5fs入射光脉冲)。
图6为30fs和5fs激光脉冲的光谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详述：
如图1、图2所示，该宽光谱变换器结构包括两个完全相同的薄片型金属三棱柱。两金属三棱柱以尖端处的对等棱边对称放置，且该两棱边组成的平面构成两金属三棱柱的对称面。待变换光谱激光的偏振方向在该平面内，且垂直于该对等棱边。三棱柱底面的底边为b、高为h，三棱柱的厚度为t，两三棱柱的距离为d。
当待变换光谱激光入射到两金属三棱柱之间的纳米空隙时，棱柱与周围空气界面处会形成表面等离子激子，激子即可向周围空间发射电磁辐射。根据该纳米结构材料和结构参数不同,激子辐射光谱会表现出与入射激光光谱的相应调制效果。
以下给出一个具体实例：
三棱柱材质为金。针对实施例演示目的，不失一般性，我们设定t＝50nm、 b＝50nm、d＝20nm，而仅将h设为变化参数。入射激光的光谱中心波长为800 nm。
我们分析了该纳米系统在不同结构参数设置条件下的共振特性，如图3 所示。可知，h＝90nm时纳米系统的共振峰值在690nm，而h＝190nm时纳米系统的共振峰值则在1040nm长波区。
该结构对不同脉宽入射激光脉冲的光谱变换特性如图4、5所示，光脉冲宽度从30fs一直低至5fs(均考虑的是傅里叶变换限制脉冲，Four i er Transform-Limited Pu lse),脉冲宽度越小意味着其光谱越宽。30fs及5fs 激光脉冲的光谱如图6所示。综合这两图可知，除了三棱柱自身特性设置，入射激光光谱宽度(反比于激光脉冲宽度)也将影响最终的光谱变换效果。 h＝90nm时，变换后光场光谱的中心波长相对入射光谱呈现不同程度的红移现象，且入射光谱越宽，红移越显著；而h＝190nm时，光谱变换则呈现蓝移现象，同样是入射光谱越宽，蓝移越显著。
当改变其他结构参数时亦可获得相应的光谱变换特性，具体实施方法可参照前述实施例。
综上，该结构可实现对宽光谱的有效变换，同时也具备小型化、紧凑型技术特点。
Claims (4)
1.一种宽光谱变换器，其特征在于：包括两个完全相同的等腰三棱柱,尺寸为纳米量级，等腰三棱柱的表面为金属材料，两个等腰三棱柱的尖端正对并保持间隙，尖端处的对等棱边组成的平面作为两个等腰三棱柱的对称面，待变换光谱激光的偏振方向在所述对称面内，且垂直于所述对等棱边；两个等腰三棱柱的尖端之间的间隙d为15～40nm，等腰三棱柱的厚度t为30～100nm，等腰三棱柱底面的底边b为30～100nm、底面的高h为20～300nm，具体结构参数满足并决定：待变换光谱激光同时辐照在临近间隙的两个等腰三棱柱尖端部分时,在金属表面激发表面等离子激子,激子辐射光谱表现出与入射激光光谱的相应调制效果。
2.根据权利要求1所述的宽光谱变换器，其特征在于：所述等腰三棱柱为金属一体件。
3.根据权利要求1或2所述的宽光谱变换器，其特征在于：所述等腰三棱柱的表面材料为金或银。
4.根据权利要求1所述的宽光谱变换器，其特征在于：所述等腰三棱柱为薄片型三棱柱，即t＜b，t＜h。
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Cited By (2)
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