本發(fā)明屬于等離激元誘導(dǎo)透明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明光學(xué)材料及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1988年，俄羅斯科學(xué)家Kocharovskaya和Khanin從理論上推測(cè)電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的存在；1991年，自Harris小組首次利用脈沖激光在實(shí)驗(yàn)中觀察到電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象以來(lái)，電磁誘導(dǎo)透明一直是一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，之后，有研究人員在階梯型三能級(jí)鉛原子蒸氣中也實(shí)現(xiàn)了電磁誘導(dǎo)透明，進(jìn)而，科學(xué)家們進(jìn)一步研究了介質(zhì)的折射性質(zhì)，結(jié)果表明在電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)下，量子干涉效應(yīng)可以消除介質(zhì)對(duì)光的吸收，同時(shí)使光的群速度顯著降低。人們不斷嘗試將光速減得更慢，并相繼取得了一系列成果，促進(jìn)了電磁誘導(dǎo)透明的發(fā)展。但由于試驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)條件的限制，如真空低溫條件和稀有氣體媒介，進(jìn)行EIT實(shí)驗(yàn)時(shí)具有一定的困難，尤其是如何靈活地操控EIT效應(yīng)比較難以實(shí)現(xiàn)。2008年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Zhang 等人從理論上研究了等離激元誘導(dǎo)透明（plasmon induced transparency，PIT），將等離激元與超材料結(jié)合，在光學(xué)頻域下實(shí)現(xiàn)磁性和負(fù)折射率材料，出現(xiàn)類似于EIT的現(xiàn)象，為研究電磁誘導(dǎo)透明開(kāi)辟了新的道路；同年，Papasimakis提出基于魚(yú)鱗形結(jié)構(gòu)的人工超材料實(shí)現(xiàn)PIT現(xiàn)象，且不僅在實(shí)驗(yàn)上制備出該材料，測(cè)量到對(duì)應(yīng)透過(guò)率譜線的PIT現(xiàn)象，還演示了該材料對(duì)脈沖信號(hào)的延遲作用，即信號(hào)的延遲時(shí)間達(dá)到信號(hào)脈寬的40％。PIT效應(yīng)不僅可用來(lái)降低光速，研發(fā)光開(kāi)關(guān)和光信息存儲(chǔ)器，也可應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，如：如斯圖加特工業(yè)大學(xué)Liu等人設(shè)計(jì)的金屬板刻槽結(jié)構(gòu)可作為一種在近紅外線波段高效的局域表面等離子體共振傳感器。因此，通過(guò)測(cè)量類EIT特征峰的細(xì)微變化可以得知靠近金納米結(jié)構(gòu)附近分子的變化，為PIT應(yīng)用于檢測(cè)不同質(zhì)量濃度的化學(xué)和生物分子以及檢測(cè)在納米環(huán)境下的化學(xué)反應(yīng)打開(kāi)了新的道路。

目前，設(shè)計(jì)的等離激元誘導(dǎo)透明結(jié)構(gòu)主要有：石碑型、空槽型、開(kāi)口諧振環(huán)型、波導(dǎo)型等，但上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制作困難，如使用納米棒組合結(jié)構(gòu)，在制造和加工等方面耗時(shí)，尤其涉及到堆疊結(jié)構(gòu)時(shí)，表面平整性和層與層之間的區(qū)分更是繁瑣，而且僅有一個(gè)物理參數(shù)可以控制實(shí)現(xiàn)等離激元誘導(dǎo)透明，或需要復(fù)雜的材料與各種活性物質(zhì)相結(jié)合才可能實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)控制涉及多個(gè)物理參數(shù)的，如兩個(gè)諧振器之間的耦合強(qiáng)度、亮模式的阻尼率等，難以實(shí)現(xiàn)，極大地制約了等離激元誘導(dǎo)透明技術(shù)在實(shí)際工業(yè)化的應(yīng)用以及靈活操控各項(xiàng)參數(shù)調(diào)控等離激元誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種高透射率、大色散、可調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)的三環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明光學(xué)材料，同時(shí)提供其應(yīng)用是本發(fā)明的另一發(fā)明目的。

基于上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種三環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明光學(xué)材料，由基板及在基板上呈二維周期性排列的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成，三環(huán)結(jié)構(gòu)單元包括相對(duì)并列設(shè)置的2個(gè)第一金屬圓環(huán)體，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體之間還設(shè)置有第二金屬圓環(huán)體，第一金屬圓環(huán)體和第二金屬圓環(huán)體的尺寸一致，所述第二金屬圓環(huán)體沿其z軸空間旋轉(zhuǎn)，與2個(gè)第一金屬圓環(huán)體的中心連線形成的空間夾角θ為0~80°。

所述三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的排列周期為400 nm；第一金屬圓環(huán)體和第二金屬圓環(huán)體的主半徑R1為35 nm~50 nm，副半徑R2為15 nm，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體中心之間的間距為150~180nm。

所述空間夾角θ為0，第二金屬圓環(huán)體相對(duì)于2個(gè)第一金屬圓環(huán)體的中心連線的橫向位移s為0~40 nm，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體對(duì)稱設(shè)置于第二金屬圓環(huán)體兩側(cè)。

所述第一金屬圓環(huán)體和第二金屬圓環(huán)體由幣族金屬制成。

所述幣族金屬為銀。

所述基板由電介質(zhì)材料制成。

所述電介質(zhì)材料為玻璃、氧化鋁或石英晶片。

該光學(xué)材料應(yīng)用于光開(kāi)關(guān)、慢光器件或高度集成光路。

本發(fā)明的基板可用電子束雙曝光技術(shù)與定位技術(shù)來(lái)制備[Chen WT, Chen C-J, Wu PC, et al. Optical magnetic response in three-dimensional metamaterial of upright plasmonic metamolecules. Opt Express 2011;19:12837–42]，具體方法為：先制備兩個(gè)銀十字交叉的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記覆蓋在75*75μm²的石英晶片上，將200nm厚的PMMA以4000轉(zhuǎn)/min的速度旋涂于石英晶片上，然后于180℃下，在烤熱板上加熱3分鐘，最后利用電子束雙曝光技術(shù)制備三環(huán)結(jié)構(gòu)單元。 [Wu P C, Chen W T, Yang K Y, et al. Magnetic plasmon induced transparency in three-dimensional metamolecules. Nanophotonics, 2012, 1(2):131-138.]。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1）本發(fā)明的光學(xué)材料，屬于納米電磁超材料，由3個(gè)金屬圓環(huán)體構(gòu)成的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元呈二維周期性排列在基板上，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，具有特殊電磁響應(yīng)，且具有高透射率、大色散和可調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)控不同的參數(shù)，可以控制透射峰的出現(xiàn)和消失以及透射峰的位置，如透射峰的出現(xiàn)和消失通過(guò)第二金屬圓環(huán)體的橫向位移來(lái)控制，金屬環(huán)不發(fā)生橫向位移，結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有透射峰出現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙饘賵A環(huán)體發(fā)生橫向位移，透射峰出現(xiàn)；通過(guò)改變第一金屬圓環(huán)體和第二金屬圓環(huán)體的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)調(diào)控透射峰的位置等， 透射峰處的群折射率，最大可達(dá)到352；

2）本發(fā)明的光學(xué)材料在光開(kāi)關(guān)、慢光器件和高度集成光路中具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1中（a）為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，（b）為三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的主視圖，（c）為三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的俯視圖；

圖2為實(shí)施例1-8的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的透射譜；

圖3為實(shí)施例1和6的共振頻率處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，（a）為實(shí)施例1的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，（b）為實(shí)施例6的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；

圖4為實(shí)施例2-7的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的群折射率圖；

圖5為實(shí)施例2-8的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的共振頻率處的群折射率與透射率隨橫向位移的變化趨勢(shì)圖；

圖6為實(shí)施例1、9-16的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的透射譜；

圖7為實(shí)施例1、17-19的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的透射譜。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種三環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明光學(xué)材料，由基板及在基板上呈二維周期性排列的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成，基板為石英晶片，三環(huán)結(jié)構(gòu)單元包括相對(duì)并列設(shè)置的2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1之間還設(shè)置有第二金屬圓環(huán)體2，第一金屬圓環(huán)體1和第二金屬圓環(huán)體2的尺寸一致，所述第一金屬圓環(huán)體1和第二金屬圓環(huán)體2由銀制成，所述第二金屬圓環(huán)體2沿其z軸空間旋轉(zhuǎn)，與2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1的中心連線形成的空間夾角θ為0，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1對(duì)稱設(shè)置于第二金屬圓環(huán)體2兩側(cè)。

三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的排列周期包括x-y平面周期p（兩個(gè)相鄰的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的幾何中心在x軸向上的距離）和平面周期q（兩個(gè)相鄰的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的幾何中心在y軸向上的距離），p=400nm，q=400nm。

第一金屬圓環(huán)體1和第二金屬圓環(huán)體2的主半徑R1為40 nm，副半徑R2為15 nm，所述第二金屬圓環(huán)體2相對(duì)于2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1的中心連線的橫向位移s為0，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1中心之間的間距為160nm，第一金屬圓環(huán)體1與第二金屬圓環(huán)體2之間的間距g分別為10nm。

實(shí)施例2-8

實(shí)施例2-8與實(shí)施例1的不同之處在于：第二金屬圓環(huán)體2相對(duì)于2個(gè)第一金屬圓環(huán)體1的中心連線的橫向位移s依次分別為2.5 nm、5nm、7.5 nm、10 nm、20 nm、30 nm、40 nm，其他同實(shí)施例1。

實(shí)施例9-16

實(shí)施例9-16與實(shí)施例1的不同之處在于：實(shí)施例9-16中空間夾角θ依次分別為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體距與其相鄰的第二金屬圓環(huán)體的切線方向的間距相等，其他同實(shí)施例1。

實(shí)施例17-19

實(shí)施例17-19與實(shí)施例1的不同之處在于：第一金屬圓環(huán)體和第二金屬圓環(huán)體的主半徑R1依次分別為35 nm、45 nm、50 nm，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體中心之間的間距依次分別為150nm、170nm、180nm，其他同實(shí)施例1。

實(shí)施例20 模擬試驗(yàn)

以下試驗(yàn)中，采用三維有限元多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行計(jì)算，金屬材料的介電系數(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)[Johnson PB, Christy RW, Optical Constants of Noble Metals. Physical Review B, (1972),6(12):4370-4379]。模擬時(shí)只計(jì)算一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)在平面方向設(shè)置周期邊界來(lái)模擬無(wú)限大陣列結(jié)構(gòu)。平面電磁波垂直于基板入射，電場(chǎng)、磁場(chǎng)的偏振方向分別沿x軸、y軸，在x、y軸方向采用周期性邊界條件，z方向使用完美匹配層來(lái)消除在邊界處的非物理反射。進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置為特別細(xì)化，S參量的最大誤差控制在0.01％，進(jìn)行頻域掃描計(jì)算透射、反射率隨頻率的變化關(guān)系，從而獲得吸收譜A=1-T-R。

實(shí)施例20.1 實(shí)現(xiàn)等離激元誘導(dǎo)透明的“開(kāi)”和“關(guān)”

構(gòu)筑實(shí)施例1的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元，如圖1（a）（b）（c）所示，實(shí)施例1-8的透射譜如圖2所示，由圖2可知，隨著第二金屬圓環(huán)體橫向位移的增加，在共振頻率處（508THz）出現(xiàn)一個(gè)尖銳的透射峰。當(dāng)橫向位移s從20nm增加到40nm時(shí)，透射峰的高度增長(zhǎng)變慢，但透射峰的寬度擴(kuò)大。當(dāng)橫向位移s=40nm，透射峰出現(xiàn)一個(gè)很寬的通頻帶，透射率可以達(dá)到90%，從476THz到528THz。因此，通過(guò)改變第二金屬圓環(huán)體的橫向位移可以實(shí)現(xiàn)等離激元誘導(dǎo)透明的“開(kāi)”和“關(guān)”。

圖3為實(shí)施例1和6的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，分別為橫向位移s=0nm和s=20nm。由圖3可知，當(dāng)s=0nm時(shí)，具有三環(huán)結(jié)構(gòu)單元具有結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，第二金屬圓環(huán)體具有很強(qiáng)的輻射，2個(gè)第一金屬圓環(huán)體作為1個(gè)四極天線，在這種情況下，沒(méi)有與偶極天線相互耦合。一旦結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性出現(xiàn)，偶極子和四極天線之間開(kāi)始相互耦合。隨著橫向位移進(jìn)一步的擴(kuò)大，偶極子和四極天線之間的耦合強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。由圖3(b)可看出，結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱導(dǎo)致四極天線的兩端具有更強(qiáng)的電場(chǎng)，而偶極天線幾乎沒(méi)有電場(chǎng)。

圖6為實(shí)施例1、9-16具有不同旋轉(zhuǎn)角度（θ）的三環(huán)結(jié)構(gòu)單元的透射譜，隨著第二金屬圓環(huán)體旋轉(zhuǎn)角度增加，在共振頻率處（508THz）出現(xiàn)一個(gè)尖銳的透射峰，并且透射峰的寬度不隨旋轉(zhuǎn)角度增加而增大，同時(shí)透射峰的透射率增大。因此，通過(guò)調(diào)整第二金屬圓環(huán)體的旋轉(zhuǎn)角度也可實(shí)現(xiàn)等離激元誘導(dǎo)透明的“開(kāi)”和“關(guān)”。

實(shí)施例20.2實(shí)現(xiàn)群速度的減緩

其中：c₀為真空中光速，是角頻率；t為三環(huán)結(jié)構(gòu)單元豎直方向的高度，為通過(guò)三環(huán)單元結(jié)構(gòu)透射波的位相。

利用上述公式計(jì)算出三環(huán)單元結(jié)構(gòu)在不同橫向位移下（實(shí)施例2-7）共振頻率處的群折射率，如圖4所示，由圖4可看出，隨著第二金屬圓環(huán)體的橫向位移s增加，在共振頻率處（508THz）的群折射率先增大后減小，在橫向位移s=5nm時(shí)，群折射率達(dá)到最大值352，橫向位移s繼續(xù)增大，群折射率逐漸減小。由此得知，本發(fā)明的光學(xué)材料對(duì)光的群速度具有較大的延遲作用。

圖5為群折射率（圖中1）和透射率（圖中2）隨橫向位移變化的趨勢(shì)圖，由圖5可看出，群折射率隨著橫向位移的增加先增大后減小，而透射率則一直增加。因此，在選擇高群折射率和高透射率之間需要權(quán)衡。

實(shí)施例20.3 調(diào)整主半徑R1的參數(shù)的透射譜

實(shí)施例1、17-19的材料選擇特定頻率或波長(zhǎng)的光通過(guò)得到透射譜如圖7所示，當(dāng)主半徑R1從35nm增加到50nm時(shí)，共振峰從544THz調(diào)節(jié)至436THz，這也說(shuō)明，共振波長(zhǎng)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。