[發(fā)明專利]一種三環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明光學材料及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710183483.7
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106842389B
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 范春珍;田雨宸
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 鄭州立格知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41126
• 代理人: 田小伍

本發(fā)明公開一種三環(huán)結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明光學材料，屬于等離激元誘導(dǎo)透明技術(shù)領(lǐng)域，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)單元包括相對并列設(shè)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(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個第一金屬圓環(huán)體的中心連線形成的空間夾角θ為0~80°。同時提供其相關(guān)的應(yīng)用。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(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。

技術(shù)領(lǐng)域

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)透明光學材料及應(yīng)用。

背景技術(shù)

1988年，俄羅斯科學家Kocharovskaya和Khanin從理論上推測電磁誘導(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驗中觀察到電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象以來，電磁誘導(dǎo)透明一直是一個熱門的研究領(lǐng)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(dǎo)透明，進而，科學家們進一步研究了介質(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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)透明（plasmon induced transparency，PIT），將等離激元與超材料結(jié)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(dǎo)透明開辟了新的道路；同年，Papasimakis提出基于魚鱗形結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)不僅可用來降低光速，研發(fā)光開關(guān)和光信息存儲器，也可應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，如：如斯圖加特工業(yè)大學Liu等人設(shè)計的金屬板刻槽結(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，通過測量類EIT特征峰的細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)用于檢測不同質(zhì)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(yīng)打開了新的道路。

目前，設(shè)計的等離激元誘導(dǎo)透明結(jié)構(gòu)主要有：石碑型、空槽型、開口諧振環(huán)型、波導(dǎo)型等，但上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(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，尤其涉及到堆疊結(jié)構(gòu)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(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(dǎo)透明技術(shù)在實際工業(yè)化的應(yīng)用以及靈活操控各項參數(shù)調(diào)控等離激元誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

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)透明光學材料，同時提供其應(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)單元包括相對并列設(shè)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(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個第一金屬圓環(huán)體中心之間的間距為150~180nm。