本發(fā)明屬于等離激元誘導透明技術領域，具體涉及一種三環(huán)結構的等離激元誘導透明光學材料及應用。

背景技術：

1988年，俄羅斯科學家Kocharovskaya和Khanin從理論上推測電磁誘導透明現(xiàn)象的存在；1991年，自Harris小組首次利用脈沖激光在實驗中觀察到電磁誘導透明現(xiàn)象以來，電磁誘導透明一直是一個熱門的研究領域，之后，有研究人員在階梯型三能級鉛原子蒸氣中也實現(xiàn)了電磁誘導透明，進而，科學家們進一步研究了介質的折射性質，結果表明在電磁誘導透明效應下，量子干涉效應可以消除介質對光的吸收，同時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，促進了電磁誘導透明的發(fā)展。但由于試驗樣品和實驗條件的限制，如真空低溫條件和稀有氣體媒介，進行EIT實驗時具有一定的困難，尤其是如何靈活地操控EIT效應比較難以實現(xiàn)。2008年，美國加利福尼亞大學Zhang 等人從理論上研究了等離激元誘導透明（plasmon induced transparency，PIT），將等離激元與超材料結合，在光學頻域下實現(xiàn)磁性和負折射率材料，出現(xiàn)類似于EIT的現(xiàn)象，為研究電磁誘導透明開辟了新的道路；同年，Papasimakis提出基于魚鱗形結構的人工超材料實現(xiàn)PIT現(xiàn)象，且不僅在實驗上制備出該材料，測量到對應透過率譜線的PIT現(xiàn)象，還演示了該材料對脈沖信號的延遲作用，即信號的延遲時間達到信號脈寬的40％。PIT效應不僅可用來降低光速，研發(fā)光開關和光信息存儲器，也可應用于傳感領域，如：如斯圖加特工業(yè)大學Liu等人設計的金屬板刻槽結構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，通過測量類EIT特征峰的細微變化可以得知靠近金納米結構附近分子的變化，為PIT應用于檢測不同質量濃度的化學和生物分子以及檢測在納米環(huán)境下的化學反應打開了新的道路。

目前，設計的等離激元誘導透明結構主要有：石碑型、空槽型、開口諧振環(huán)型、波導型等，但上述的結構設計復雜、制作困難，如使用納米棒組合結構，在制造和加工等方面耗時，尤其涉及到堆疊結構時，表面平整性和層與層之間的區(qū)分更是繁瑣，而且僅有一個物理參數(shù)可以控制實現(xiàn)等離激元誘導透明，或需要復雜的材料與各種活性物質相結合才可能實現(xiàn)，主動控制涉及多個物理參數(shù)的，如兩個諧振器之間的耦合強度、亮模式的阻尼率等，難以實現(xiàn)，極大地制約了等離激元誘導透明技術在實際工業(yè)化的應用以及靈活操控各項參數(shù)調控等離激元誘導透明現(xiàn)象。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種高透射率、大色散、可調控結構參數(shù)的三環(huán)結構的等離激元誘導透明光學材料，同時提供其應用是本發(fā)明的另一發(fā)明目的。

基于上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：

一種三環(huán)結構的等離激元誘導透明光學材料，由基板及在基板上呈二維周期性排列的三環(huán)結構單元組成，三環(huán)結構單元包括相對并列設置的2個第一金屬圓環(huán)體，2個第一金屬圓環(huán)體之間還設置有第二金屬圓環(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，與2個第一金屬圓環(huán)體的中心連線形成的空間夾角θ為0~80°。

所述三環(huán)結構單元的排列周期為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)體相對于2個第一金屬圓環(huán)體的中心連線的橫向位移s為0~40 nm，2個第一金屬圓環(huán)體對稱設置于第二金屬圓環(huán)體兩側。

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。

所述基板由電介質材料制成。

所述電介質材料為玻璃、氧化鋁或石英晶片。

該光學材料應用于光開關、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與定位技術來制備[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：先制備兩個銀十字交叉的對準標記覆蓋在75*75μm²的石英晶片上，將200nm厚的PMMA以4000轉/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制備三環(huán)結構單元。 [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)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1）本發(fā)明的光學材料，屬于納米電磁超材料，由3個金屬圓環(huán)體構成的三環(huán)結構單元呈二維周期性排列在基板上，該結構穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，具有特殊電磁響應，且具有高透射率、大色散和可調控結構參數(shù)的特點，通過調控不同的參數(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)和消失通過第二金屬圓環(huán)體的橫向位移來控制，金屬環(huán)不發(fā)生橫向位移，結構處于對稱狀態(tài)時，沒有透射峰出現(xiàn)，當?shù)诙饘賵A環(huán)體發(fā)生橫向位移，透射峰出現(xiàn)；通過改變第一金屬圓環(huán)體和第二金屬圓環(huán)體的結構尺寸來調控透射峰的位置等， 透射峰處的群折射率，最大可達到352；

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

附圖說明

圖1中（a）為本發(fā)明的結構示意圖，（b）為三環(huán)結構單元的主視圖，（c）為三環(huán)結構單元的俯視圖；

圖2為實施例1-8的三環(huán)結構單元的透射譜；

圖3為實施例1和6的共振頻率處的電場強度分布圖，（a）為實施例1的電場強度分布圖，（b）為實施例6的電場強度分布圖；

圖4為實施例2-7的三環(huán)結構單元的群折射率圖；

圖5為實施例2-8的三環(huán)結構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圖；

圖6為實施例1、9-16的三環(huán)結構單元的透射譜；

圖7為實施例1、17-19的三環(huán)結構單元的透射譜。

具體實施方式

實施例1

一種三環(huán)結構的等離激元誘導透明光學材料，由基板及在基板上呈二維周期性排列的三環(huán)結構單元組成，基板為石英晶片，三環(huán)結構單元包括相對并列設置的2個第一金屬圓環(huán)體1，2個第一金屬圓環(huán)體1之間還設置有第二金屬圓環(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，與2個第一金屬圓環(huán)體1的中心連線形成的空間夾角θ為0，2個第一金屬圓環(huán)體1對稱設置于第二金屬圓環(huán)體2兩側。

三環(huán)結構單元的排列周期包括x-y平面周期p（兩個相鄰的三環(huán)結構單元的幾何中心在x軸向上的距離）和平面周期q（兩個相鄰的三環(huán)結構單元的幾何中心在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相對于2個第一金屬圓環(huán)體1的中心連線的橫向位移s為0，2個第一金屬圓環(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。

實施例2-8

實施例2-8與實施例1的不同之處在于：第二金屬圓環(huán)體2相對于2個第一金屬圓環(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，其他同實施例1。

實施例9-16

實施例9-16與實施例1的不同之處在于：實施例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，其他同實施例1。

實施例17-19

實施例17-19與實施例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，其他同實施例1。

實施例20 模擬試驗

以下試驗中，采用三維有限元多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics進行計算，金屬材料的介電系數(shù)設置為實驗中得到的數(shù)據[Johnson PB, Christy RW, Optical Constants of Noble Metals. Physical Review B, (1972),6(12):4370-4379]。模擬時只計算一個三環(huán)結構單元，通過在平面方向設置周期邊界來模擬無限大陣列結構。平面電磁波垂直于基板入射，電場、磁場的偏振方向分別沿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消除在邊界處的非物理反射。進行網格劃分設置為特別細化，S參量的最大誤差控制在0.01％，進行頻域掃描計算透射、反射率隨頻率的變化關系，從而獲得吸收譜A=1-T-R。

實施例20.1 實現(xiàn)等離激元誘導透明的“開”和“關”

構筑實施例1的三環(huán)結構單元，如圖1（a）（b）（c）所示，實施例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)一個尖銳的透射峰。當橫向位移s從20nm增加到40nm時，透射峰的高度增長變慢，但透射峰的寬度擴大。當橫向位移s=40nm，透射峰出現(xiàn)一個很寬的通頻帶，透射率可以達到90%，從476THz到528THz。因此，通過改變第二金屬圓環(huán)體的橫向位移可以實現(xiàn)等離激元誘導透明的“開”和“關”。

圖3為實施例1和6的電場強度分布圖，分別為橫向位移s=0nm和s=20nm。由圖3可知，當s=0nm時，具有三環(huán)結構單元具有結構的對稱性，第二金屬圓環(huán)體具有很強的輻射，2個第一金屬圓環(huán)體作為1個四極天線，在這種情況下，沒有與偶極天線相互耦合。一旦結構的非對稱性出現(xiàn)，偶極子和四極天線之間開始相互耦合。隨著橫向位移進一步的擴大，偶極子和四極天線之間的耦合強度也逐漸增強。由圖3(b)可看出，結構的不對稱導致四極天線的兩端具有更強的電場，而偶極天線幾乎沒有電場。

圖6為實施例1、9-16具有不同旋轉角度（θ）的三環(huán)結構單元的透射譜，隨著第二金屬圓環(huán)體旋轉角度增加，在共振頻率處（508THz）出現(xiàn)一個尖銳的透射峰，并且透射峰的寬度不隨旋轉角度增加而增大，同時透射峰的透射率增大。因此，通過調整第二金屬圓環(huán)體的旋轉角度也可實現(xiàn)等離激元誘導透明的“開”和“關”。

實施例20.2實現(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)結構單元豎直方向的高度，為通過三環(huán)單元結構透射波的位相。

利用上述公式計算出三環(huán)單元結構在不同橫向位移下（實施例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，群折射率達到最大值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)明的光學材料對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衡。

實施例20.3 調整主半徑R1的參數(shù)的透射譜

實施例1、17-19的材料選擇特定頻率或波長的光通過得到透射譜如圖7所示，當主半徑R1從35nm增加到50nm時，共振峰從544THz調節(jié)至436THz，這也說明，共振波長可以通過結構參數(shù)進行調節(jié)。