一种基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件及其应用制造技术

本发明专利技术提供的一种基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件及其应用，从下至上分别是透明衬底层、金属超表面阵列层、增益介质层，其中，透明衬底层上沉积金属超表面阵列层，所述金属超表面阵列层为非对称矩形周期性阵列分布的金属纳米结构，金属超表面阵列层由共轴四角星形和矩形组成的复合结构周期排列形成，且排列方式在阵列平面内x和y方向周期不相等，所述金属纳米结构上旋涂发光增益材料作为增益介质层。本发明专利技术的一种基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件利用非对称金属纳米结构的等离激元共振与周期阵列晶格衍射模式耦合，实现高Q值共振响应，非对称周期设计提供偏振选择共振响应，实现全光可调输出。出。出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件及其应用


[0001]本专利技术涉及纳米光学器件
，具体涉及一种基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件及其应用。

技术介绍

[0002]随着信息时代的高速发展，电子元器件向高度集成化、微型化、高频化方向发展，对作为电子器件基础的财力提出了更高的要求。表面等离激元纳米结构在入射电磁波的激发下，其表面的自由电子和电磁波相互作用会形成一种共振模式，从而改变纳米结构表面局域电磁场的分布，可实现在纳米尺度上对光子态的调控。当入射电磁波的频率和纳米结构表面的自由电子频率一致时，可实现局域电磁场在其表面光学近场范围内的极大增强。等离激元共振的强烈场局域化特性使得光学器件尺寸突破光学衍射极限成为可能。纳米光学器件，是指由纳米线等纳米材料作为谐振腔，在光激发或电激发下能够出射激光的微纳器件。与传统半导体微纳光学器件不同，等离激元纳米光学器件利用等离子体共振模式代替半导体光学器件中的腔模振荡，等离激元共振的亚波长性使得其具有极小的模体积。因此这类光学器件的物理尺寸可以缩小到纳米量级，从而有效降低激射阈值和功耗。此外，等离激元的高局域态密度，使得等离激元纳米光学器件在实现亚波长物理尺寸和极小激射阈值的同时，还可以实现超快的调制速度，这进一步拓展了微纳光学器件在高速光通信与光计算领域的应用前景。
[0003]目前，已经实现基于金属纳米结构/增益材料核壳结构、半导体纳米结构介质/金属膜杂化波导结构、金属/介质/金属结构的等离激元纳米光学器件。但是，目前等离激元纳米激光在结构设计还存在较大方向发散和辐射损耗等问题。
[0004]为实现辐射损耗抑制和激射方向控制，近年来提出将等离激元共振单元在二维平面内排布，利用周期结构中局域模式的同向震荡，使得出射激光在垂直于阵列平面的方向高度局域化。相比于独立结构的等离激元共振，阵列化的结构能利用相邻单元间的辐射耦合作用，实现对激射方向的有效调控的同时还能大幅度抑制辐射损耗，其品质因子相比独立等离激元共振增大至少一个数量级。另外周期阵列化等离激元设计对激光有很好的调制作用，单元结构周期、尺寸及形状等变化都能显著影响激射性能。
[0005]在现有的金属纳米结构阵列器件中，偏好对称的介质环境，以与偏振态无关的单一波长共振输出，但对称阵列器件一旦加工完成后其性能便固定无法调控了，使得其在如智能控制、光学动态加密等领域中的应用受限。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一个目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件。
[0007]为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件，其特征在于：从下至上分别是透明衬底层、金属超表面阵列层、增益介质层，其中，透明衬底层上沉积金属超表面阵列层，所述金属超表面阵列层为非对称矩形周期性阵列分布的金属纳米结构，其中，矩形周期性阵列在阵列平面内x方向的周期Px和y方向的周期Py不相等，其中，金属纳米结构由共轴四角星形与正方形组成的复合形状，所述金属超表面阵列层上旋涂发光增益材料作为增益介质层，非对称金属纳米结构的等离激元共振与周期阵列晶格衍射模式耦合，实现高Q值共振响应。
[0009]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
[0010]作为本专利技术的优选技术方案：所述透明衬底层选用的SiO2材料，选用石英玻璃、蓝宝石、有机玻璃或聚二甲基硅氧烷。
[0011]作为本专利技术的优选技术方案：所述中层金属结构材料为铝，相较于金银等常见贵金属材料，铝更为廉价，且较高的体等离基元共振频率和较窄的带间跃迁距离，使器件工作范围能实现紫外到近红外波段的全覆盖。
[0012]作为本专利技术的优选技术方案：增益介质层为液体或固体形态，其折射率与所述透明衬底层的折射率差Δn，Δn<0.1，利用在折射率匹配环境中周期结构产生的周期晶格衍射模式，与金属结构等离激元共振模式耦合，实现更高Q的激光共振腔。所选用增益介质发光半峰宽<50nm,增益介质发光波长相对所述非对称超表面结构x方向周期长度乘以增益材料折射率的长度偏差<30nm，以实现x方向偏振激发时的等离激元共振波长与增益材料量子发射耦合。
[0013]作为本专利技术的优选技术方案：非对称超表面结构周期在200nm～600nm,利用长度变化可控制结构响应在紫外到近红外波段变化；共轴四角星形与正方形组成的复合结构中，四角星形最大对角线长度为周期Px的1/6～1/3，共轴正方形对角线与四角星形对角线夹角为45
°
，正方形边长为四角星形对角线长度的1/2～3/4,通过控制金属纳米结构与阵列周期的相对长度，将周期晶格衍射模式波长位置平移到等离激元共振峰长边方向，从而减小辐射损耗，增大共振Q值。通过设计较小内角的四角星形与正方形复合共振结构，在共振结构边缘形成“针尖效应”，进一步增强局域场放大效果,正方形结构尺寸用于控制复合结构等离激元共振波长位置，优化共振Q值。
[0014]作为本专利技术的优选技术方案：所述金属超表面阵列层沿x方向和y方向周期不相同，其差值在40nm～100nm。其中激发光偏振沿x方向入射时，等离激元共振波长与增益材料量子发射波段重合，产生激光输出；沿y方向入射时，等离激元共振波长与增益材料量子发射波段不重合，停止输出激光，实现利用偏振态的全光调控激光输出。
[0015]本专利技术的第二个目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件的应用。
[0016]为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0017]本专利技术的一种基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件应用于纳米激光器。
[0018]本专利技术的有益效果在于：本专利技术的一种基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件及其应用，利用非对称周期性超表面结构作为激光谐振腔与增益材料耦合，成功实现利用入射光偏振态对出射激光强度和波长的调控；利用阵列化的超表面金属纳米颗粒可
以集成纳米金属的高度局域化电磁共振特性，以及阵列结构的窄带宽晶格衍射特性，与增益材料耦合可以作为高质量纳米尺度谐振腔产生低阈值激光输出，共轴的四角星形与正方形周期性阵列复合形状的金属纳米结构强化了共振“针尖效应”，增强局域场放大效果，非对称超表面阵列共振特性对入射偏振态高度敏感，通过设置面内周期变化，可以实现利用偏振态对出射激光波长的全光调控；本专利技术结构简单，通过尺寸的比例变换，也可以实现其他波段的激光输出，在纳米激光器等领域具有良好的应用前景。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的结构示意图；
[0020]图2为金属超表面阵列层俯视图；
[0021]图3为非对称金属纳米结构尺寸变化时器件透射光谱的变化图；
[0022]图4为非对称金属纳米结构周期变化时器件透射光皮变化图；
[0023]图5为不同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件，其特征在于：从下至上分别是透明衬底层、金属超表面阵列层、增益介质层，其中，透明衬底层上沉积金属超表面阵列层，所述金属超表面阵列层为非对称矩形周期性阵列分布的金属纳米结构，其中，非对称矩形周期性阵列在阵列平面内x方向的周期Px和y方向的周期Py不相等，其中，所述金属纳米结构由共轴四角星形与正方形组成的复合形状，所述金属纳米结构面内中心对称，所述金属超表面阵列层上旋涂发光增益材料作为增益介质层，金属纳米结构的等离激元共振与周期阵列晶格衍射模式耦合，实现高Q值共振响应，非对称矩形周期提供偏振选择共振响应，实现基于泵浦光偏振态的全光可调输出。2.根据权利要求1所述的基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件，其特征在于：所述透明衬底层为SiO2材料，选用石英玻璃、蓝宝石、有机玻璃或聚二甲基硅氧烷。3.根据权利要求1所述的基于非对称超表面结构的等离激元纳米光学器件，其特征在于：所述金属纳米结构材料为铝，其工作的可见光波段扩展至紫外到近红外波段。4.根据权利要求1所述的基于非对称超表面结构的全光可调等离激元纳米光学器件，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董红星，牟南历，李京周，钟义驰，李欣，张龙，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：