一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料及应用制造技术

本发明专利技术公开一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，属于等离激元诱导透明技术领域，由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°。同时提供其相关的应用。本发明专利技术的光学材料，属于纳米电磁超材料，由3个金属圆环体构成的三环结构单元呈二维周期性排列在基板上，该结构稳定性和重现性好，具有特殊电磁响应，且具有高透射率、大色散和可调控结构参数的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料及应用
本专利技术属于等离激元诱导透明
，具体涉及一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料及应用。
技术介绍
1988年，俄罗斯科学家Kocharovskaya和Khanin从理论上推测电磁诱导透明现象的存在；1991年，自Harris小组首次利用脉冲激光在实验中观察到电磁诱导透明现象以来，电磁诱导透明一直是一个热门的研究领域，之后，有研究人员在阶梯型三能级铅原子蒸气中也实现了电磁诱导透明，进而，科学家们进一步研究了介质的折射性质，结果表明在电磁诱导透明效应下，量子干涉效应可以消除介质对光的吸收，同时使光的群速度显著降低。人们不断尝试将光速减得更慢，并相继取得了一系列成果，促进了电磁诱导透明的发展。但由于试验样品和实验条件的限制，如真空低温条件和稀有气体媒介，进行EIT实验时具有一定的困难，尤其是如何灵活地操控EIT效应比较难以实现。2008年，美国加利福尼亚大学Zhang等人从理论上研究了等离激元诱导透明（plasmoninducedtransparency，PIT），将等离激元与超材料结合，在光学频域下实现磁性和负折射率材料，出现类似于EIT的现象，为研究电磁诱导透明开辟了新的道路；同年，Papasimakis提出基于鱼鳞形结构的人工超材料实现PIT现象，且不仅在实验上制备出该材料，测量到对应透过率谱线的PIT现象，还演示了该材料对脉冲信号的延迟作用，即信号的延迟时间达到信号脉宽的40％。PIT效应不仅可用来降低光速，研发光开关和光信息存储器，也可应用于传感领域，如：如斯图加特工业大学Liu等人设计的金属板刻槽结构可作为一种在近红外线波段高效的局域表面等离子体共振传感器。因此，通过测量类EIT特征峰的细微变化可以得知靠近金纳米结构附近分子的变化，为PIT应用于检测不同质量浓度的化学和生物分子以及检测在纳米环境下的化学反应打开了新的道路。目前，设计的等离激元诱导透明结构主要有：石碑型、空槽型、开口谐振环型、波导型等，但上述的结构设计复杂、制作困难，如使用纳米棒组合结构，在制造和加工等方面耗时，尤其涉及到堆叠结构时，表面平整性和层与层之间的区分更是繁琐，而且仅有一个物理参数可以控制实现等离激元诱导透明，或需要复杂的材料与各种活性物质相结合才可能实现，主动控制涉及多个物理参数的，如两个谐振器之间的耦合强度、亮模式的阻尼率等，难以实现，极大地制约了等离激元诱导透明技术在实际工业化的应用以及灵活操控各项参数调控等离激元诱导透明现象。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种高透射率、大色散、可调控结构参数的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，同时提供其应用是本专利技术的另一专利技术目的。基于上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°。所述三环结构单元的排列周期为400nm；第一金属圆环体和第二金属圆环体的主半径R1为35nm~50nm，副半径R2为15nm，2个第一金属圆环体中心之间的间距为150~180nm。所述空间夹角θ为0，第二金属圆环体相对于2个第一金属圆环体的中心连线的横向位移s为0~40nm，2个第一金属圆环体对称设置于第二金属圆环体两侧。所述第一金属圆环体和第二金属圆环体由币族金属制成。所述币族金属为银。所述基板由电介质材料制成。所述电介质材料为玻璃、氧化铝或石英晶片。该光学材料应用于光开关、慢光器件或高度集成光路。本专利技术的基板可用电子束双曝光技术与定位技术来制备[ChenWT,ChenC-J,WuPC,etal.Opticalmagneticresponseinthree-dimensionalmetamaterialofuprightplasmonicmetamolecules.OptExpress2011;19:12837–42]，具体方法为：先制备两个银十字交叉的对准标记覆盖在75*75μm2的石英晶片上，将200nm厚的PMMA以4000转/min的速度旋涂于石英晶片上，然后于180℃下，在烤热板上加热3分钟，最后利用电子束双曝光技术制备三环结构单元。[WuPC,ChenWT,YangKY,etal.Magneticplasmoninducedtransparencyinthree-dimensionalmetamolecules.Nanophotonics,2012,1(2):131-138.]。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1）本专利技术的光学材料，属于纳米电磁超材料，由3个金属圆环体构成的三环结构单元呈二维周期性排列在基板上，该结构稳定性和重现性好，具有特殊电磁响应，且具有高透射率、大色散和可调控结构参数的特点，通过调控不同的参数，可以控制透射峰的出现和消失以及透射峰的位置，如透射峰的出现和消失通过第二金属圆环体的横向位移来控制，金属环不发生横向位移，结构处于对称状态时，没有透射峰出现，当第二金属圆环体发生横向位移，透射峰出现；通过改变第一金属圆环体和第二金属圆环体的结构尺寸来调控透射峰的位置等，透射峰处的群折射率，最大可达到352；2）本专利技术的光学材料在光开关、慢光器件和高度集成光路中具有广阔的应用前景。附图说明图1中（a）为本专利技术的结构示意图，（b）为三环结构单元的主视图，（c）为三环结构单元的俯视图；图2为实施例1-8的三环结构单元的透射谱；图3为实施例1和6的共振频率处的电场强度分布图，（a）为实施例1的电场强度分布图，（b）为实施例6的电场强度分布图；图4为实施例2-7的三环结构单元的群折射率图；图5为实施例2-8的三环结构单元的共振频率处的群折射率与透射率随横向位移的变化趋势图；图6为实施例1、9-16的三环结构单元的透射谱；图7为实施例1、17-19的三环结构单元的透射谱。具体实施方式实施例1一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，基板为石英晶片，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体1，2个第一金属圆环体1之间还设置有第二金属圆环体2，第一金属圆环体1和第二金属圆环体2的尺寸一致，所述第一金属圆环体1和第二金属圆环体2由银制成，所述第二金属圆环体2沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体1的中心连线形成的空间夹角θ为0，2个第一金属圆环体1对称设置于第二金属圆环体2两侧。三环结构单元的排列周期包括x-y平面周期p（两个相邻的三环结构单元的几何中心在x轴向上的距离）和平面周期q（两个相邻的三环结构单元的几何中心在y轴向上的距离），p=400nm，q=400nm。第一金属圆环体1和第二金属圆环体2的主半径R1为40nm，副半径R2为15nm，所述第二金属圆环体2相对于2个第一金属圆环体1的中心连线的横向位移s为0，2个第一金属圆环体1中心之间的间距为160nm，第一金属圆环体1与第二金属圆环体2之间的间距g分别为10nm。实施例2-8实施例2-8与实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°。

【技术特征摘要】
1.一种三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：由基板及在基板上呈二维周期性排列的三环结构单元组成，三环结构单元包括相对并列设置的2个第一金属圆环体，2个第一金属圆环体之间还设置有第二金属圆环体，第一金属圆环体和第二金属圆环体的尺寸一致，所述第二金属圆环体沿其z轴空间旋转，与2个第一金属圆环体的中心连线形成的空间夹角θ为0~80°。2.如权利要求1所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述三环结构单元的排列周期为400nm；第一金属圆环体和第二金属圆环体的主半径R1为35nm~50nm，副半径R2为15nm，2个第一金属圆环体中心之间的间距为150~180nm。3.如权利要求2所述的三环结构的等离激元诱导透明光学材料，其特征在于：所述空间夹角...

【专利技术属性】
技术研发人员：范春珍，田雨宸，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41