一种双曲回音壁纳腔及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种双曲回音壁纳腔及其制备方法与应用，所述制备方法包括如下步骤：使用双曲层状材料构筑纳腔结构，得到所述双曲回音壁纳腔。双曲层状材料具有直角坐标系的面外双曲色散性能，利用该性能将层状材料构筑为原子级纳腔结构，从而使本发明专利技术所述回音壁纳腔具有双曲等能面；双曲等能面理论上能够支持无穷大的光线波矢，即无穷小的光学波长，因此在任意小的纳腔上可以支持双曲回音壁模式；本发明专利技术构筑的双曲回音壁纳腔能够支持超小模式体积的压缩光场，为小型化光电子集成、光学传感和纳米光源的应用奠定了基础。米光源的应用奠定了基础。米光源的应用奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种双曲回音壁纳腔及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光学器件
，涉及一种回音壁光学器件，尤其涉及一种双曲回音壁纳腔及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]双曲材料为具有双曲等能面的光学材料，它具有各向异性的特征，且有不同符号的介电张量的分量。双曲材料具有超大波矢的双曲色散性能，可以支持超高压缩的电磁模式，比如双曲等离激元和双曲声子极化激元等，可以广泛应用在纳米波导、化学生物传感和超分辨成像等领域。
[0003]回音壁模式可类比于在弧形侧壁上声波传输，两个人对弧形侧壁说话，即使相距很远，互相也能听得非常清楚，其原理就是：声波可以沿着光滑的侧壁进行全反射传输，且损耗较低。光波等电磁波也能够产生类似的效应，当光从光密介质向光疏介质入射且入射角很大时，也会存在全反射，因此，在高折射率的弯曲界面同样可以支持光学回音壁模式。
[0004]回音壁模式具有较低的散射损耗和较高的品质因子，因此可以极大的提高光与物质的相互作用，广泛应用在光学滤波器、化学生物传感、低阈值激光器和腔量子电动力学等领域。
[0005]CN108899750A公开了一种多孔道中空微结回音壁模式谐振腔及其制备方法，用熔融拉丝法将多孔玻璃毛细管的中间部位拉制成外径为0.5
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10μm的中空微纳纤维，然后通过微操作打结形成中空微结腔；通过毛细管力吸入或者外力注入的方式将液态增益介质注入到中空微结腔的纤维孔道中，然后与锥型光纤进行耦合，封装，得到多孔道中空微结回音壁模式谐振腔。
[0006]CN110981168A公开了一种超高品质因子回音壁模式微棒腔制备方法，包括：将直径为毫米级的石英预制棒夹持在气浮轴承上进行转动；调节CO2激光器焦点至预制棒表面；调大CO2激光器功率，逐步移动三维移动台，熔融一圈后形成一个烧蚀圆环；移动三维移动台至下一个位置，继续烧蚀另一个圆环；加大CO2激光器功率，在两环之间短时间加热，熔融的石英在表面张力的作用下自然成超光滑的表面，在两环之间得到高品质因子的微纳腔。
[0007]现有技术均在微腔体系中激发产生回音壁模式，但由于纳腔的体系小于微腔体系，其上表面难以束缚电磁波进行传输。双曲模式和回音壁模式可以进行有效耦合，进行电磁波的传输，纳腔结构能够支持高波长压缩特性的双曲回音壁模式。但由于纳腔体系具有较强的束缚光场的能力，纳腔中的双曲回音壁模式难以被高效激发。
[0008]因此，有必要提供一种双曲回音壁纳腔及其制备方法与应用，使其具有高品质因子，能够为超小型光电子集成、光学传感和纳米光源的应用奠定基础。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种双曲回音壁纳腔及其制备方法与应用，所得双曲回音壁纳腔的尺寸较小，能够能够支持超小模式体积的压缩光场，为超小型光电子集成、光学传
感和纳米光源的应用奠定了基础。
[0010]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供了一种双曲回音壁纳腔的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0012]使用具有双曲等能面的声子极化激元的双曲层状材料构筑纳腔结构，得到所述双曲回音壁纳腔。
[0013]具有双曲等能面的声子极化激元的双曲层状材料具有直角坐标系的面外双曲色散性能，利用该性能将层状材料构筑为原子级纳腔结构，从而使本专利技术所述双曲回音壁纳腔具有双曲等能面，双曲等能面理论上能够支持无穷大的光线波矢，即无穷小的光学波长，因此可以支持任意小的纳腔上形成双曲回音壁模式。本专利技术提供的双曲回音壁纳腔能够激发双曲回音壁模式，为超小型光电子集成、光学传感和纳米光源的应用奠定了基础。
[0014]优选地，所述构筑的方法包括化学气相沉积生长法或微纳加工方法。
[0015]本专利技术不对化学气相沉积法或微纳加工方法的具体工艺进行限定，只要能够实现由双曲层状材料制备双曲回音壁纳腔即可。
[0016]示例性的，以构筑双曲回音壁纳腔的双曲层状材料为氮化硼为例，所述化学气相沉积法包括：在气
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液
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固三相不相容的生长环境下，Li2O和B2O3发生共晶反应，合成得到液态2Li2O
·
B2O3催化剂颗粒；2Li2O
·
B2O3催化剂颗粒的存在加速一维硼酸锂纤维的合成，并随着硼酸锂纤维在高温下的不稳定性而分解；分解导致硼酸锂和B2O3发生反应；随后，B2O3与NH3发生反应，在硼酸锂纤维表面形成双曲回音壁纳腔结构；
[0017]示例性的，以构筑双曲回音壁纳腔的双曲层状材料为氮化硼为例，所述微纳加工方法包括：使用离子束刻蚀和/或电子束曝光+氧等离子体刻蚀制备双曲回音壁纳腔结构。
[0018]使用微纳加工方法制备得到的双曲回音壁纳腔结构包括圆盘纳腔、圆孔纳腔或圆台纳腔中的任意一种。
[0019]优选地，所述双曲层状材料包括自然双曲材料和/或人工双曲材料。
[0020]优选地，所述自然双曲材料包括二维范德华材料。
[0021]优选地，所述二维范德华材料包括六方氮化硼和/或氧化钼。
[0022]优选地，所述人工双曲材料包括周期性交替的Ag/SiO2和/或周期性交替的Au/SiO2。
[0023]本专利技术不对人工双曲材料的制备方法进行具体限定，只要为周期性交替的Ag/SiO2和/或周期性交替的Au/SiO2，且具有双曲等能面即可。
[0024]第二方面，本专利技术提供了一种由第一方面所述制备方法得到的双曲回音壁纳腔，所述双曲回音壁纳腔为具有双曲等能面的纳腔；
[0025]所述双曲回音壁纳腔的侧壁厚度≥3nm，例如可以是3nm、5nm、7nm、10nm、12nm、15nm、20nm、30nm、40nm、50nm或60nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0026]优选地，所述双曲回音壁纳腔的形貌包括中空环形纳腔、圆盘纳腔、圆孔纳腔、圆台纳腔或球形纳腔中的任意一种。
[0027]本专利技术不对中空环形纳腔、圆盘纳腔以及球形纳腔的具体尺寸进行过多限定，只要使侧壁厚度≥3nm即可。
[0028]鉴于目前中空环形纳腔、圆盘纳腔以及球形纳腔的制备工艺，优选地，所述中空环形纳腔的内径≥4nm，例如可以是4nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或120nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为4
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100nm。
[0029]优选地，所述圆盘纳腔的内径≥4nm，例如可以是4nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm或120nm，优选为4
‑
100nm。
[0030]优选地，所述球形纳腔的直径≥20nm，例如可以是20nm、40nm、50nm、60nm、80nm、100nm、120nm、150nm、160nm、180nm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双曲回音壁纳腔的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：使用双曲层状材料构筑纳腔结构，得到所述双曲回音壁纳腔。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述构筑的方法包括化学气相沉积法或微纳加工法。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述双曲层状材料包括自然双曲材料和/或人工双曲材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述自然双曲材料包括二维范德华材料；优选地，所述二维范德华材料包括六方氮化硼和/或氧化钼。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述人工双曲材料包括周期性交替的Ag/SiO2和/或周期性交替的Au/SiO2。6.一种由权利要求1
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5任一项所述制备方法得到的双曲回音壁纳腔，其特征在于，所述双曲回音壁纳腔为具有双曲等能面的纳腔；所述双曲回音壁纳腔的侧壁厚度≥...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆，郭相东，杨晓霞，吴晨晨，张姝，戴小康，段谕，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：