基于法诺共振的旋转不重合超表面结构及其应用制造技术

基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，包括电介质基底和金属薄膜，金属薄膜覆盖于电介质基底的正上方，所述金属薄膜内蚀刻有贯穿金属薄膜厚度的旋转不重合单元，旋转不重合单元由多个周期性排列的旋转不重合子单元构成；旋转不重合子单元包括外圆环和位于外圆环内部的类圆环，类圆环与外圆环同心设置，且类圆环的圆周上设有开口，开口两端与圆心的开口夹角关于水平轴对称。调节开口夹角以调节法诺共振的数量调节；分别调节外圆环的外半径和类圆环的内圆半径、以及入射光偏振方向实现等离子体传感以及光开关的应用。本发明专利技术结构简单易于制作，尺寸为纳米级便于集成，通过便捷的调节实现等离子体传感和开关应用，为高集成度的光子器件开辟新的道路。器件开辟新的道路。器件开辟新的道路。

【技术实现步骤摘要】
基于法诺共振的旋转不重合超表面结构及其应用


[0001]本专利技术涉及微纳光电子
，特别是一种基于法诺共振的旋转不重合超表面结构及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，超表面的光学响应特别是近红外区域光谱响应的调控，仍然是开发基于超表面的实用光学器件的关键挑战。人工数字超表面通常由周期或者准周期排布的亚波长人工单元结构所组成，利用人工数字超表面可以改变电磁波传输特性。
[0003]现有的用于超表面设计的各种控制机制主要是通过动态地控制电磁波，包括控制电、温度和光学等方法。例如中国专利公开号为CN109612966A公开了一种基于偏振不敏感法诺共振的全介质超表面折射率传感器，通过三个V字形介质天线组合产生对偏振态不敏感的高品质因素和灵敏度的法诺共振；公开号为CN103259098A公开了一种可以产生法诺共振增强和频率可调谐现象的多层对称超材料，通过多层对称超材料产生电偶极子共振实现法诺共振品质因素的改善与调谐；以及专利公开号为CN113589406A、CN109683219A、CN103247862A等。然而上述现有改变的超表面法诺共振的结构或存在结构复杂，不容易加工；或品质因素不高，扰动大；或不容易进行调谐等问题。因此，如何实现结构简单，控制便捷，品质因素高的超表面法诺共振是目前需要改善的地方。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于法诺共振的旋转不重合超表面结构及其应用。
[0005]本专利技术的技术方案是：基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，包括电介质基底和金属薄膜，金属薄膜覆盖于电介质基底的正上方，所述金属薄膜内蚀刻有贯穿金属薄膜厚度的旋转不重合单元结构，旋转不重合单元结构由多个周期性排列的旋转不重合子单元结构组成。
[0006]旋转不重合子单元结构包括外圆环和位于外圆环内部的类圆环，类圆环与外圆环同心设置，且类圆环的圆周上设有开口，开口两端与圆心的开口夹角关于水平轴对称。
[0007]本专利技术进一步的技术方案是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，电介质基底的厚度为225～250nm；所述金属薄膜的材料为银或金，金属薄膜的厚度为50～60nm；多个旋转不重合子单元的周期为400～600nm。
[0008]本专利技术再进一步的技术方案是：所述外圆环的外圆半径为160～190nm，外圆环的宽度为20～50nm；所述类圆环的外圆半径为100～150nm，类圆环的内圆半径为95～125nm，开口夹角为20
°
～135
°
。
[0009]本专利技术更进一步的技术方案是：调节所述旋转不重合子单元结构中类圆环的开口夹角以调节法诺共振峰的数量。
[0010]本专利技术更进一步的技术方案是：在入射到旋转不重合超表面结构的入射光偏振方
向为0
°
条件下，调节开口夹角从0
°
到180
°
变化，使得法诺共振峰的数量由单个变为三个；在入射到旋转不重合超表面结构的入射光偏振方向为90
°
条件下，调节开口夹角从0
°
到180
°
变化，使得法诺共振峰的数量由单个变为两个、两个变为三个以及三个变为两个。
[0011]本专利技术的另一技术方案是：基于法诺共振的旋转不重合超表面结构的等离子体传感应用，调节前述旋转不重合子单元中外圆环的外半径和类圆环的内圆半径以调节法诺共振的光学特性。
[0012]本专利技术进一步的技术方案是：所述外圆环的外半径从175nm到190nm变化时，法诺共振的共振中心按照指数函数蓝移；所述类圆环的内圆半径从95nm到125nm变化时，法诺共振的共振中心按照指数函数红移。
[0013]本专利技术的另一技术方案是：基于法诺共振的旋转不重合超表面结构的等离子体光开关应用，调节入射到所述超表面结构的入射光偏振方向以调节法诺共振的光学特性。
[0014]本专利技术进一步的技术方案是：所述超表面结构的入射光偏振方向为平行或垂直于开口夹角方向。
[0015]本专利技术进一步的技术方案是：所述超表面结构的工作波长为1207nm和/或2021nm。
[0016]本专利技术与现有技术相比具有如下特点：1、本专利技术的旋转不重合超表面结构仅由电介质基底和具有孔阵列的金属薄膜组成，尺寸小，结构简单且易于制作。
[0017]2、本专利技术的旋转不重合超表面结构通过调节入射光的偏振方向能够实现法诺共振数量的调节。
[0018]3、本专利技术的旋转不重合超表面结构具有较高的开关比，通过改变旋转不重合超表面结构的结构参数能够有效地调节透射光的透过率，应用于等离子体传感和等离子体光开关。
[0019]以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的详细结构作进一步描述。
附图说明
[0020]图1为本专利技术超表面结构的示意图；图2为旋转不重合子单元的结构示意图；图3为旋转不重合子单元的二维剖面示意图；图4(a)、4(b)分别为参数相同的单个外圆环、类圆环的透射率谱图；图5为实施例一旋转不重合单元周期结构在近红外波段的透射率谱图；图6(a)、6(b)分别为入射光偏振角度为0
°
和90
°
时的透射率谱图；图7(a)、7(b)分别为类圆环单元结构内圆半径变化时的透射率谱图；图8(a)、8(b)分别为外圆环单元结构半径变化时的透射率谱图；图9为入射光的偏振方向分别为沿X、Z轴方向的透射率谱图。
具体实施方式
[0021]实施例一，如图1
‑
5所示，基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，包括电介质基底1和金属薄膜2，金属薄膜覆2盖于电介质基底1的正上方。
[0022]所述电介质基底1的电介质材料为石英，电介质基底的厚度为225nm。电介质基底1
的电介质材料也可以是其他适合加工的任何电介质，例如苯并环丁烯等。
[0023]所述金属薄膜2的材料为银，金属薄膜的厚度为50nm，采用银作为金属薄膜2的材料能够使得其在可见光区和近红外区具有较低的吸收损耗。金属薄膜2的材料也可以是其他类似于银的能产生表面等离子体的金属，例如金等。
[0024]所述金属薄膜2内蚀刻有贯穿金属薄膜厚度的旋转不重合单元3，旋转不重合单元3由多个周期性排列的旋转不重合子单元4构成，多个旋转不重合子单元的周期为600nm。
[0025]所述旋转不重合子单元4包括外圆环4
‑
1和位于外圆环内部的类圆环4
‑
2，类圆环4
‑
2与外圆环4
‑
1同心设置，且类圆环4
‑
2的圆周上设有开口4
‑
3，开口4
‑
3两端与圆心0的开口夹角α关于水平轴对称。
[0026]将该基于法诺共振的旋转不重合超表面结构界定于X、Y、Z笛卡尔正交坐标系，其中X轴、Z轴分别为横向阵列周期方向、纵向阵列周期方向，Y轴垂直于X、Z轴构成的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，包括电介质基底和金属薄膜，金属薄膜覆盖于电介质基底的正上方，其特征是：所述金属薄膜内蚀刻有贯穿金属薄膜厚度的旋转不重合单元结构，旋转不重合单元结构由多个周期性排列的旋转不重合子单元结构组成；旋转不重合子单元结构包括外圆环和位于外圆环内部的类圆环，类圆环与外圆环同心设置，且类圆环的圆周上设有开口，开口两端与圆心的开口夹角关于水平轴对称。2.如权利要求1所述的基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，其特征是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，电介质基底的厚度为225～250nm；所述金属薄膜的材料为银或金，金属薄膜的厚度为50～60nm；多个旋转不重合子单元的周期为400～600nm。3.如权利要求1所述的基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，其特征是：所述外圆环的外圆半径为160～190nm，外圆环的宽度为20～50nm；所述类圆环的外圆半径为100～150nm，类圆环的内圆半径为95～125nm，开口夹角为20
°
～135
°
。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，其特征是：调节所述旋转不重合子单元结构中类圆环的开口夹角以调节法诺共振峰的数量。5.如权利要求4所述的基于法诺共振的旋转不重合超表面结构，其特征是：在入射到旋转不重合超表面结构的入射光偏振方向为0
°
条件下，调节开口夹角从0
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李燕，徐晓峰，罗晓清，刘钦科，王新林，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：