CN114937713B - 一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面器件，该器件自下而上包括基底层、周期性阵列排布于基底上的“超分子”单元，和布置于基底及“超分子”单元上的表面金属层。“超分子”单元包括两根相距一定间隔布置的立柱和布置于两根立柱一侧的横杆，两根立柱的形状一致，高度为亚波长，横杆的长度方向与立柱的布置方向相同，横杆与两根立柱之间的距离相等，立柱为其横截面半径由其基底侧至其顶端侧逐渐收缩的类圆锥体，横杆的高度小于立柱，横杆的纵截面为尺寸一致的半椭圆面；该器件在中红外线偏振光正入射情况下，呈现窄线宽完美吸收峰，对比需要倾斜入射的器件，本申请极大地提升了器件的实用性和易用性。
Description
技术领域
本发明涉及新型微纳光子器件领域，特别涉及一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面器件。
背景技术
光学超表面是新型人工二维微结构薄层光学器件，可以实现入射光场的振幅，相位和偏振的调控，相比于传统三维超材料，具有亚波长厚度，多功能集成，制备工艺简单等特点，成为近年来国际纳米光子学领域研究热点。纳米共振器中，窄线宽共振曲线意味着该模式光子具有长寿命，能显著增强光与物质的相互作用。相比于宽带共振曲线，能极大提高精密光谱分析的灵敏度(如FP腔具有极窄的共振曲线，相比于迈克尔逊干涉仪等的相对宽谱器件拥有更高的检测灵敏度)。金属等离激元共振型超表面将电磁场强束缚在金属和介质界面，具有很强的表面电场增强效应，能够显著增强光与结构周围环境物质的相互作用，被广泛用于表面拉曼增强，折射率传感，生物分子传感和精密光谱分析等研究领域。然而，由于金属在光学波段的材料损耗，导致金属微结构共振曲线不可避免地展宽，器件的品质因子一般较低(Q<10)，致使器件灵敏度较低，不利于实际应用。因此，寻找新方法抑制或平衡金属等离激元共振型超表面的损耗，开发窄线宽的等离激元共振型超表面器件具有重要的实际应用价值。
近期，人们把连续谱中的束缚态原理(Bound states in the continuum，BIC)应用于等离激元共振型超表面的研究中，设计了一些性能优异的等离激元共振型超表面器件。本组之前参与的工作，提出了一种基于偶然性BIC原理(Accidental bound states inthe continuum)的在动量空间具有窄线宽、高品质因子(Q值)的完美吸收共振超表面器件，发表于Nano Letters(DOI：10.1021/acs.nanolett.0c01752)。然而，该超表面要求入射光必须在特定角度入射才能激发偶然性准BIC模式，形成窄线宽的完美吸收谱。实际应用中，“倾斜入射”的要求，增加了光学系统的复杂度，需要引入多轴精密调节机械系统精确控制光的入射、反射角度及其他光学元件的角度，光路复杂且难于调节，同时系统的机械稳定性较差，不利于器件的实际使用；而当光垂直入射时，入射光无法耦合到BIC模式，几乎全部被反射。
发明内容
入射光垂直入射器件并反射到探测系统接收，是光学系统最简单高效的工作方式，会极大简化光学系统的复杂程度，大大提升器件的实用性和易用性。据此我们根据对称性保护BIC原理(Symmetry protected bound states in the continuum)，提出了一种金属微结构等离激元共振型超表面器件。当入射线偏振光正入射至该器件，反射谱呈现窄线宽完美吸收峰。其克服了必须倾斜入射才能实现窄带完美吸收的限制，光路简单且易于调节，具有较高的实用性与易用性。其在光学滤波，折射率传感，光谱分析，表面拉曼增强和生物分子探测以及太阳能利用等方面有潜在应用价值。
一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面器件，包括基底，周期性阵列排布于基底上的“超分子”单元，和布置于基底及“超分子”单元上的表面金属层；
所述“超分子”单元包括两根相距一定间隔布置的立柱和布置于两根立柱一侧的横杆，两根立柱的形状一致，高度为亚波长，所述横杆的长度方向与所述立柱的布置方向相同，所述横杆与所述两根立柱之间的距离相等，所述立柱为其横截面半径由其基底侧至其顶端侧逐渐收缩的类圆锥体，所述横杆的高度小于所述立柱，所述横杆的纵截面为尺寸一致的半椭圆面；
当入射线偏振光偏振方向平行于基底且垂直于两根立柱中心线时，出现窄带完美吸收峰。
所述入射线偏振光为中红外线偏振光，其波长范围为4微米至10微米。
所述表面金属层的厚度大于中红外线偏振光的趋肤深度。
所述表面金属层选用金层，所述金层的厚度选用100nm。
所述“超分子”单元沿横向和纵向上的周期排列数均大于等于10。
优选地，所述“超分子”单元沿横向和纵向上的周期排列数均等于10。
所述“超分子”单元选用旋涂于基底上的光刻胶层经飞秒激光直写工艺形成。
所述立柱的半径为0.3微米，所述立柱的高度为1.7微米；所述矮杆的底面宽度为0.5微米，高度为0.6微米。
所述两根立柱的中心距为1.15微米，所述“超分子”单元周期大小选用3.2微米×3.2微米。
所述入射光波长为4.783微米出现窄带完美吸收峰时，品质因子Q≈64，立柱尖顶场增强因子最大值为(|E|2/|E0|2)max≈12000倍。
所述基底选用二氧化硅基底。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具有以下有益效果：
本发明涉及的超表面器件，其结构简单，加工工艺简单，利用已有的激光直写技术和原子层沉积技术即可完成器件制备。该超表面器件在指定线偏振光正入射情况下，其反射光呈窄线宽完美吸收峰，具有较高的品质因子和强电场增强因子。相比于倾斜入射情况，在不增加器件制作加工复杂度的情况下，极大地简化了探测光路，降低了光路调试的难度，提高了器件的实用性、易用性和系统的机械稳定性。
附图说明
图1是本发明一实施例的“超分子”单元和超表面器件结构示意图。
图2是本发明一实施例的超表面器件制备工艺示意图。
图3是本发明一实施例的超表面器件的测试光路示意图。
图4是本发明一实施例的超表面器件正入射x轴方向线偏振光的吸收光谱的模拟结果。
图5是本发明一实施例的超表面器件电场增强的模拟结果。
图6是本发明一实施例的超表面器件窄线宽完美吸收共振曲线的原理分析图(极子分析)。
图7是本发明一实施例的超表面器件应用于环境折射率传感(n＝1.00～1.03)反射峰偏移情况图。
图8是本发明一实施例的超表面器件正入射y轴方向线偏振光的吸收谱线图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
本发明提出的新型等离激元的超表面结构，可实现中红外线偏振光在正入射情况下，呈现窄线宽完美吸收峰。如图1所示，该超表面器件包括基底、配置在基底上的周期阵列人工“超分子”单元，以及配置在基底和“超分子”单元上的金属膜层。在该实施例中，基底选用二氧化硅基底，二氧化硅基底的厚度不设限制。“超分子”单元周期阵列排布于二氧化硅基底上，“超分子”单元横向和纵向的周期数越多越好，实际处理时周期数有限，在横向和纵向上周期排列数大于等于10时，光谱曲线已经很接近理想值。该实施例中，“超分子”单元的横向和纵向周期数选用10，排列为10行10列，图1示出了该阵列排布的一部分。
首先在基底上形成一定厚度的光刻胶层，接着采用飞秒激光直写工艺加工“超分子”单元结构，形成周期性阵列排布的“超分子”单元。每个“超分子”单元由两根相同的立柱和一根横杆组成，横杆与两根立柱之间的距离相等。如图1示，在“超分子”单元中，沿y轴的方向上，两根立柱位于“超分子”单元x＝0的位置，且两根立柱的中心距△y＝1.15微米，横杆位于两根立柱的同一侧，整个“超分子”单元结构关于y＝0所在平面对称。立柱的横截面(即xy平面，如图1示)半径沿基底侧至远离基底侧(即立柱的尖端侧)逐渐减小，立柱整体呈类圆锥体。横杆的纵截面(即xz平面，如图1示)为尺寸一致的半椭圆面。该实施例中，立柱的底面半径为0.3微米，高度H为1.7微米。如图1示，横杆底部的宽度(沿x轴方向上)为0.5微米，高度h(沿z轴方向上)为0.6微米。“超分子”单元的两根立柱中心线与横杆中心线的距离为0.45微米。“超分子”单元尺寸为3.2微米×3.2微米。本发明的器件结构由“超分子”单元在x，y平面内周期阵列排布，横向和纵向的周期数大于等于10。在一实施例中，如图1中仅示意性的呈现了器件阵列结构的一部分(5×5)。“超分子”单元结构和基底表面覆盖金属膜层的厚度大于入射光的趋肤深度，使得光不能透射。该实施例中，金属膜层选用金膜层，金膜层的厚度为100纳米。
图2是本发明超表面器件制备工艺示意图。如图示，首先在玻璃(二氧化硅)基底上利用飞秒激光加工技术加工“超分子”单元阵列结构，接着，利用原子层沉积技术在“超分子”单元阵列结构的表面沉积厚度约为100纳米的金膜层，该厚度大于入射光工作波长的趋肤深度，用于阻止入射光的透射。
图3为该超表面器件典型的器件测试光路示意图。入射光通过物镜正入射到超表面器件后，反射光通过物镜接收分别进入光电探测器和CCD接收。该光路结构简单，相比于倾斜入射光路，本发明光路极大减少了光路中的光学元件的使用和系统调节的复杂度，更易应用到实际工作场景中。
图4为正入射垂直线偏振光(x方向偏振)的吸收光谱的模拟结果。可以看出，在共振吸收峰4.783微米附近存在窄带共振吸收峰，具有较高的品质因子和光谱分辨率，意味着该共振模式具有较长的光子寿命，将极大增强光与物质的相互作用。
图5为共振吸收峰4.783微米处，电场增强的模拟结果。电场增强最大值(|E|/|E0|)max为109.22倍，光强增强最大值(|E|2/|E0|2)max为11929.88倍，本发明超表面器件可为折射率传感、生物传感等领域提供一种较高灵敏度的探测方式。
图6为窄线宽完美吸收共振曲线的原理分析图示(极子分析)。其中，图(a)为环境折射率n＝1时的反射谱。图(b)为器件工作在共振波长4.783微米时多极子分析，图中画出了比较主要的散射分量。可见，各分量中，电偶极子沿z方向散射强度I_Pz和环磁极子沿z方向散射强度I_Tz远远大于其他电磁分量的散射强度，为本系统的主要散射分量。图(c)电偶极子z方向散射强度I_Pz和环磁极子z方向散射强度I_Tz之间的相位关系是一致的。设电偶极子电场和磁场分量分别为Ep和Hp，环形偶极子电场和磁场分量为ET和HT，根据叠加原理可以得到共振模式主要散射分量的电场和磁场为：
上式中，r为位置矢量，P为电偶极矩，T为环磁极矩，k为波数，c为光速，ω为角频率，i为虚数单位。
由公式(1)和(2)可知，在满足(P-ikT)＝0的情况下，即：电偶极子和环磁极子强度相等，且相位一致的情况下，两者干涉相消，对z方向远场无辐射，形成窄带共振吸收谱线。在折射率传感，光谱分析，表面拉曼增强，生物分子探测以及太阳能利用等方面有潜在应用价值。
图7为器件应用于环境折射率传感(n＝1.00～1.03)反射峰偏移情况。为了验证本器件具有良好的环境传感和折射率感知能力，图中给出了环境折射率n＝1.00、n＝1.01、n＝1.02和n＝1.03器件共振峰的移动情况，模拟结果展示了器件具有较好的环境折射率探测能力。
图8为正入射水平偏振光(y方向偏振)的吸收谱线图示。图中展示了y方向线偏振光在工作波长6.289微米处也有共振吸收峰，但其品质因子相对较低(Q≈20)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种等离激元中红外线偏振光窄带吸收超表面器件，其特征在于，包括基底，周期性阵列排布于基底上的“超分子”单元，和布置于基底及“超分子”单元上的表面金属层；
所述“超分子”单元包括两根相距一定间隔布置的立柱和布置于两根立柱一侧的横杆，两根立柱的形状一致，高度为亚波长，所述横杆的长度方向与所述立柱的布置方向相同，所述横杆与所述两根立柱之间的距离相等，所述立柱为其横截面半径由其基底侧至其顶端侧逐渐收缩的类圆锥体，所述横杆的高度小于所述立柱，所述横杆的纵截面为尺寸一致的半椭圆面，所述“超分子”单元沿横向和纵向上的周期排列数均大于等于10，所述立柱的底面半径为0.3微米，所述立柱的高度为1.7微米；所述横杆的底面宽度为0.5微米，高度为0.6微米；
所述表面金属层的厚度大于中红外线偏振光的趋肤深度，其选用金层，所述金层的厚度选用100nm；
当入射线偏振光偏振方向平行于基底且垂直于两根立柱中心线时，出现窄带吸收峰，所述入射线偏振光为中红外线偏振光，其波长范围为4微米至10微米。
2.根据权利要求1所述的超表面器件，其特征在于，所述“超分子”单元沿横向和纵向上的周期排列数均等于10。
3.根据权利要求1或2所述的超表面器件，其特征在于，所述“超分子”单元选用旋涂于基底上的光刻胶层经飞秒激光直写工艺形成。
4.根据权利要求1或2所述的超表面器件，其特征在于，所述两根立柱的中心距为1.15微米，所述“超分子”单元周期大小选用3.2微米×3.2微米。
5.根据权利要求1或2所述的超表面器件，其特征在于，所述基底选用二氧化硅基底。
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