一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器及其制备方法，包括位于下层的金属纳米孔阵列和位于上层的单层二维材料。利用聚焦离子束刻蚀的方法对完整的金属纳米薄膜进行加工，得到三角形的纳米孔阵列；通过氢氟酸腐蚀的方法将单层二维材料转移到纳米孔阵列的表面，从而得到单层二维材料和金属三角纳米孔阵列复合的超表面。利用此复合超表面可以对出射的二次谐波偏振方向进行调制。圆偏振的基频光入射可以产生反向圆偏振的倍频光出射，偏振角为θ的线偏振基频光入射可以产生偏振角为‑2θ的线偏振倍频光出射。而且相对于传统的金属超表面，其转换效率提高了近两个数量级。本发明专利技术非线性光偏振调制器体积小，结构简单、集成度高。

High efficiency nonlinear optical polarization modulator based on super surface and two-dimensional material and preparation method thereof

The invention discloses an efficient nonlinear optical polarization modulator based on an ultra surface and two dimensional material and a preparation method thereof, comprising a metal nanopore array located in the lower layer and a single-layer two-dimensional material at the upper layer. By using the method of focused ion beam etching process of nanometer metal film complete, nano hole array triangular; single two-dimensional material transfer to the surface by nano hole array hydrofluoric acid corrosion, so as to obtain single two-dimensional materials and metal triangle composite nano hole array super surface. With this composite surface, modulation of the two harmonic polarization of the discharge can be carried out. The fundamental frequency light incident of circular polarization can produce reverse circularly polarized light emitting frequency, polarization angle theta linearly polarized light incident frequency can generate polarization angle for 2 theta polarized light emitting frequency. Moreover, the conversion efficiency has been improved by nearly two orders of magnitude relative to the conventional metal super surface. The non-linear light polarization modulator of the invention has the advantages of small volume, simple structure and high integration.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器及其制备方法
本专利技术涉及纳米光子学
，具体涉及一种基于超表面二维材料的高效非线性光偏振调制器及其制备方法。
技术介绍
超材料作为一种新型的人工纳米材料，其最小结构单元类似于传统材料中的原子和分子。通过控制最小结构单元的形状和它们的排列，超材料能够产生传统材料和化学合成材料所不具备的物理性质。近年来，人们又将超材料的空间尺寸进行减小，制备出了二维的纳米结构阵列，这就是常说的超表面。通过改变超表面中纳米结构的大小、形状和排布，可以实现很多非常有趣的现象和应用，例如异常反射和透射、微纳光学玻片和复杂光束的产生等等。目前，非线性的超材料和超表面已经引起了科学界的关注。控制其中的非线性输出将会带来一个崭新的基础研究领域，并为高效的、有源的、超紧凑的非线性光学集成器件发展提供帮助。已有文献报道了一种基于金属超表面实现了二次谐波光偏振调制。该结构只包含了金三角纳米孔阵列，纳米孔排列方式为六方排布。超表面在飞秒激光垂直入射下激发出二次谐波。出射二次谐波的偏振角度和入射基频光的偏振角度呈现-2倍的关系。但是由于该结构中金本身的低非线性转换效率和其对可见光的固有吸收，以及三角纳米孔共振峰位置和入射光波长的失配，导致结构的二次谐波效率非常低，这大大限制其在光学集成器件中的使用。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，包括石墨烯、氮化硼BN、过渡金属硫化物(MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、Bi2Te3)和黑磷P等等。目前，二维材料在光学和凝聚态物理领域有着广泛的研究。实验表明，过渡金属硫化物是一种优良的二次谐波发光材料，只存在于奇数层当中并且在单层中效率最强。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器，旨在解决现有技术中二次谐波光偏振调制结构的二次谐波效率低的技术问题。本专利技术提供了一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器，包括：位于下层的金属纳米孔阵列和位于上层的单层二维材料；激发光垂直入射至金属纳米孔阵列，进而作用在二维材料上出射倍频光信号；激发光作用在金属纳米孔阵列上引起局域场增强效应，从而导致二维材料出射倍频光信号的增强；激发光作用在金属纳米孔阵列上引起出射的近场分布改变，从而导致二维材料出射的二次谐波偏振方向的改变。更进一步地，金属纳米孔阵列具有多个周期性排布的单元，每个单元采用具有三重旋转对称性的纳米孔结构。更进一步地，纳米孔阵列的结构单元材料为金或者银；薄膜的厚度为30nm～200nm；结构单元的边长为200nm～300nm；结构单元的周期为300nm～500nm；单层二维材料的厚度为0.7nm。更进一步地，纳米孔阵列的周期排布不受限制，任意二维空间排布均能实现此功能。更进一步地，二维材料是单层的过渡金属硫化物。更进一步地，激发光先作用在金属纳米孔阵列上，二维材料产生的倍频光信号采用透射的方式收集。本专利技术还提供了一种制备上述的高效非线性光偏振调制器的方法，包括下述步骤：(1)用电子束蒸发在石英基底上镀一层金属纳米薄膜；(2)通过聚焦离子束刻蚀在所述金属纳米薄膜上刻出三角形的纳米孔阵列；(3)将化学气相沉积法生长的单层二维材料转移到所述金属纳米薄膜上，并使其覆盖在所述三角形纳米孔阵列表面上形成所述高效非线性光偏振调制器。更进一步地，在步骤(1)中，金属纳米薄膜的厚度为30nm～200nm。更进一步地，在步骤(2)中，所述纳米孔阵列中三角形边长为200nm～300nm，所述纳米孔阵列中纳米孔的周期为300nm～500nm。更进一步地，在步骤(3)中，覆盖面积大于入射光的光斑面积。本专利技术中，激发光垂直入射至金属纳米孔阵列，进而作用在二维材料上出射倍频光信号，利用高非线性转换效率的单层二维材料替代低效率的金属纳米结构充当非线性介质，可以从根源上解决金属纳米结构器件低效率的缺点；激发光作用在金属纳米孔阵列上，由于金属纳米结构特有的局域表面等离子体共振性质，可以将入射光局域在结构表面附近，进而能够增强入射光和单层二维材料之间的作用，从而导致二维材料出射倍频光信号的增强，这进一步可以提高整体非线性光偏振调制器的效率；激发光作用在金属纳米孔阵列上，引起透过金属纳米结构的光近场分布改变，进而作用在二维材料上，由于单层二维材料的晶体结构具有D3h对称性，这可以导致二维材料出射的二次谐波偏振方向发生改变，从而达到调制出射的二次谐波偏振的目的；单层二维材料的厚度仅为0.7nm，这完美地保留了整体结构的紧凑性。本专利技术采用简单地在金属纳米孔阵列上覆盖一层厚度为0.7nm的单层二维材料，通过用高非线性转换效率的单层二维材料替代低效率的金属纳米结构充当非线性介质，以及利用金属纳米孔阵列的局域场增强效应和近场调控作用，在保留了整体结构三重旋转对称性达到的非线性光调制的效果之外，大大提高了此类非线性光偏振调制器的性能。整体结构尺寸小，制作工艺简单，可用材料广泛，在不破坏其结构紧凑性的条件下，提高了其实际可用价值。附图说明图1为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器的结构示意图；图2为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器的扫描电子显微镜SEM图，标尺为1um；图3为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器实验测得的和仿真计算的透射光谱图；图4为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器实验测得的二次谐波和传统的金属阵列测得的二次谐波转换效率比较图；图5为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器实验测得的出射二次谐波在左旋圆偏振基频光作用下(a)和右旋圆偏振基频光作用下(b)分别对应的偏振调制图；图6为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器实验测得的在线偏振基频光作用下出射的二次谐波偏振方向分析图；图7为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器实验测得的出射的二次谐波在线偏振基频光作用下的偏振调制图；图8为本专利技术高效的微纳非线性光偏振调制器在六方排布下(a)实验测得的出射的二次谐波偏振方向与入射的基频光偏振方向的关系图(b)，以及在逐渐旋转的排布下(c)实验测得的出射的二次谐波偏振方向与入射的基频光偏振方向的关系图(d)，矩形框标注的为一个周期内的三角孔纳米结构排布，标尺为500nm。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提出了一种非线性光偏振调制器，它的组成为金属纳米孔和单层二维材料复合而成的超表面结构。利用单层二维材料高二次谐波转换效率，我们将它取代传统低效率的金属纳米结构作为非线性转换的介质，这大大提高了整体非线性光偏振调制器的效率。同时利用金属纳米孔阵列特有的局域表面等离子体共振性质，可以将入射光局域在结构表面附近，进而能够增强入射光和单层二维材料之间的作用，这进一步可以达到提高非线性效率的目的。而且由于所用的单层二维材料的晶体结构具有D3h对称性，由它和三角形的纳米孔复合而成的超表面结构，依然具有三重旋转对称性，于是这种复合超表面保留了传统的非线性光偏振调制的效果。在圆偏振的基频光入射下可以产生反向圆偏振的倍频光出射，并且在偏振角为θ的线偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器，其特征在于，包括：位于下层的金属纳米孔阵列(1)和位于上层的单层二维材料(2)；激发光垂直入射至金属纳米孔阵列(1)，进而作用在二维材料(2)上出射倍频光信号；激发光作用在金属纳米孔阵列(1)上引起局域场增强效应，从而导致二维材料(2)出射倍频光信号的增强；激发光作用在金属纳米孔阵列(1)上引起出射的近场分布改变，从而导致二维材料(2)出射的二次谐波偏振方向的改变。

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面和二维材料的高效非线性光偏振调制器，其特征在于，包括：位于下层的金属纳米孔阵列(1)和位于上层的单层二维材料(2)；激发光垂直入射至金属纳米孔阵列(1)，进而作用在二维材料(2)上出射倍频光信号；激发光作用在金属纳米孔阵列(1)上引起局域场增强效应，从而导致二维材料(2)出射倍频光信号的增强；激发光作用在金属纳米孔阵列(1)上引起出射的近场分布改变，从而导致二维材料(2)出射的二次谐波偏振方向的改变。2.如权利要求1所述的高效非线性光偏振调制器，其特征在于，所述金属纳米孔阵列(1)具有多个周期性排布的单元，每个单元采用具有三重旋转对称性的纳米孔结构。3.如权利要求2所述的高效非线性光偏振调制器，其特征在于，所述纳米孔阵列(1)的结构单元材料为金或者银；薄膜的厚度为30nm～200nm；结构单元的边长为200nm～300nm；结构单元的周期为300nm～500nm；单层二维材料(2)的厚度为0.7nm。4.如权利要求2所述的高效非线性光偏振调制器，其特征在于，所述纳米孔阵列(1)的周期排布不受限制，任意二维空间排布均能实现此...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆培祥，陈嘉伟，王凯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42