一种实现宽带增强衍射的微结构制造技术

本实用新型专利技术提供了一种实现宽带增强衍射的微结构，该微结构为采用金属-介电-金属材料的三明治型结构，其中一侧的金属层为周期性排列的金属块阵列，另一侧的金属层为无结构的金属平板；金属块阵列在平面方向上，沿横轴方向的周期为亚波长，沿纵轴方向的周期为超波长。由于本实用新型专利技术三明治型元胞结构的局域等离激元增强散射和超波长周期性结构的干涉效应，光的一阶衍射效率能够在600-1500纳米的波长范围内获得极大的提高(50-95％)。本实用新型专利技术的微结构可用于制作平面、超薄、宽带和高效的光学色散元件。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种宽带、增强的一阶衍射的微结构，可将入射光在宽带波长范 围内高效地转化为色散的一阶衍射光。
技术介绍
我们知道，光通过透射光栅时将产生衍射效应。通常，很大一部分衍射光的能量会 分布在无色散的0级光谱中。在用于光谱分析和研宄的色散光学元件中，宽带、增强且具有 色散的衍射光谱显得十分重要。在薄膜太阳能电池的设计中，微结构产生的增强衍射有利 于抑制反射光，同时增强光与薄膜波导模的耦合。以往，利用截面为锯齿形的闪耀光栅或具 有深度矩形沟槽的介质光栅，人们在一定的情况下已经实现增强的高阶衍射。但是，这些光 学元件往往具有表面粗糙不平或厚度较大的缺点，不利于器件加工或纳米光子学元件的集 成。 近来，微结构的表面等离激元材料为开发亚波长的衍射光学元件提供了新的途 径。金属纳米结构的表面电荷与电磁场之间存在强耦合，可将其应用于光路的控制。在超 构表面以及超构材料的设计中，金属上的纳米孔或电介质中的金属纳米颗粒能够激发表面 等离激元或局域等离激元共振。在这些结构周期排列的情况下，许多现象诸如增强透射效 应、偏振变换、负折射效应、以及反常折射等都有可能出现。然而，目前关于准二维的微结 构表面的研宄多数集中在亚波长区域。正如在增强透射效应中所见，因为微结构的周期 小于或远小于工作波长，〇阶透射在特定波段得到显著加强，而高阶衍射则被极大地抑制。 最近，Guo等研宄了一种双周期的等离激元表面（Opt. Lett. 36, 4764(2011)&Appl. Phys. Lett. 101，241115 (2012))，它是通过对超薄的金属膜上短周期的狭缝或圆孔阵列附加一个 长周期的调制而形成。这一系统可以在表面等离激元共振波长附近支持传播的一阶衍射效 应。不过，其工作带宽较窄（约IOOnm)，并且衍射效率较低（低于5% )。
技术实现思路
为了实现平面、超薄、宽带、高效的色散光学元件，本技术提供了一种宽带、高 效的一阶衍射的实现结构，这一结构采用了微结构的表面等离激元材料，具有平面、超薄的 特点。 本技术解决其技术问题所采用的技术方案是： -种实现宽带增强衍射的微结构，该微结构为采用金属-介电-金属材料的三明 治型结构，其中一侧的金属层为周期性排列的金属块阵列，另一侧的金属层为无结构的金 属平板；所述金属块阵列在平面方向上，沿横轴方向的周期为亚波长，沿纵轴方向的周期为 超波长。这样设计的作用如下：第一，亚波长和超波长复合周期的设计是为了能够产生为数 不多的几个出射衍射阶，包括〇阶和± 1阶衍射。第二，三明治型金属/介电/金属元胞结 构可以产生局域等离激元增强的光散射效应，这一增强的光散射具有宽带的特征。第三，由 于超波长周期性结构的干涉效应，不同元胞辐射的散射光能够干涉加强，从而产生高效的 尚阶衍射。 周期性的金属块的形状关于偏振方向为对称或者不对称结构，如矩形、椭圆形、梯 形或其它形状。 由于本技术三明治型元胞结构的局域等离激元增强散射和超波长周期性结 构的干涉效应，光的一阶衍射效率能够在600-1500纳米的波长范围内获得极大的提高 (50-95% )。本技术的结构可适用于制作平面、超薄的微型光学色散元件，用于光谱研 宄和分析。此外，在薄膜太阳能电池的设计中，增强的光的衍射效应还可以提高光的耦合效 率。【附图说明】 图1(a)基于对称的矩形金属块的元胞示意图，图I (b)系统结构示意图。 图2 (a)衍射效率随波长变化曲线，图2 ( (b)波长为1050纳米的能流分布图。 图3(a)、图3(b)分别为波长为830和1030纳米的电流分布图，图3(c)单个元胞 结构的散射截面，图3 (d)、图3 (e)分别为波长为1050纳米的电场和磁场分布图（单个元 胞）。 图4(a)基于非对称的梯形金属块的元胞示意图，图4 (b)单个元胞结构的散射截 面。 图5 (a)衍射效率随波长变化曲线，图5 (b)波长为1050纳米的能流分布图。【具体实施方式】 本技术的金属块形状没有特殊限定，下面将以矩形和梯形金属块为实施例对 本技术做进一步说明，前者可产生对称增强的±1阶衍射，而后者将导致更为高效的、 非对称的-1阶衍射。 实施例1 作为第一个实施例，采用矩形的金属块阵列。在金属-介质-金属三明治结构 中，上层周期排列的矩形金属块与底层平坦的金属薄板被一玻璃间隔层隔开。图1(a)和 图1(b)分别是元胞和系统的示意图。矩形金属块的长、宽、高分别取为I = 600nm, w = 200nm, h = 80nm ;玻璃薄层的厚度为t = 90nm，底层的金属薄板厚150nm(该厚度远大于趋 肤深度，可以阻止光的透射）。研宄的波段从可见光到近红外，波长为600-1500nm。金属块 在xy方向的周期设为dx = 360nm，dy = 1800nm。这样，X方向为亚波长结构，而y方向为 超波长结构。平面电磁波从顶部垂直入射到这一结构上，光电场沿着X轴方向。 图2(a)给出了用时域有限差分方法模拟得到的衍射光谱（这里只给出零阶和正 负一阶衍射，更高阶衍射光非常微弱，故忽略）。由于结构的对称性，正负一阶衍射有着完全 相同的效率。有趣的是，在较宽的一段频带里，都存在着零阶反射被抑制而一阶衍射明显增 长的现象。在650-1300nm范围内，零阶模式的反射率低于10%，一阶模式衍射的效率达到 了 47% (正负一阶衍射的和则达到94%)。不过，在更短或更长的波长范围内（λ〈650ηπι或 λ>1300ηπι)，一阶衍射则有所削弱。图2(b)展示了数值模拟的yz平面内的能流分布（波 长选为1050nm)。从图中可以清楚地看到两个对称的一阶衍射，其衍射角为35. 0度。 这里存在一个问题，为什么如此简单的一个结构能产生超宽带的衍射光谱呢？为 了回答这个问题，本技术计算了周期结构中的电流分布。这里以波长830nm和1030nm 为例，计算结果分别展示在图3(a)与图3(b)中。可以看到在上述两种波长下，顶部的矩 形金属块和底部的金属平板均有反向平行的感应电流产生，形成一个准电流回路。波长为 830nm的感应电流回路较小，而波长为1030nm的电流回路则较长。对其它波长的模拟计算 也显示了类似的结果。可见，当电磁波照射该结构时，其中将产生感应电流环路；激发波长 越长，则电流环路也越长。或者说，该结构具有自我调节功能（能有效调节电流回路的长 度），并对外部激发做出响应。从LC电路的角度来看（即将三明治结构视作LC振子），不 同长度的电流回路具有不同的电感和谐振频率。 为了进一步确认这一局域振荡缘于元胞而非周期结构，使用数值计算了一个独立 元胞的散射截面，如图3(c)所示（图中为散射截面对元胞面积的比值）。在考虑的波长范 围内，散射截面明显大于1 (大约为2. 3-3. 8)，显示了宽带的增强散射效应。其实在某些情 况下，人们已经观察到了宽带的增强散射现象，如自由电子的汤姆森散射。这里，包含自由 电子的等离激元材料能够扮演类似的角色。与纳米球、纳米棒等孤立金属粒子相比，三明治 结构能够有效地调节电流回路长度以回应外部激发，从而产生一个类似共振的等离激元响 应。以一随机波长如1050nm为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现宽带增强衍射的微结构，其特征在于，该微结构为采用金属‑介电‑金属材料的三明治型结构，其中一侧的金属层为周期性排列的金属块阵列，另一侧的金属层为无结构的金属平板；所述金属块阵列在平面方向上，沿横轴方向的周期为亚波长，沿纵轴方向的周期为超波长。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄成平，张勇，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32