CN101750651A - 基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的电磁波透射的器件与制备 - Google Patents
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Abstract
一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，该器件包括单层亚波长金属光栅和填充在亚波长金属光栅狭缝内的磁活性介质；该器件的金属部分和磁活性介质部分具有相同的厚度，该厚度大小满足最少支持设计工作波长在光栅狭缝内的最低阶的Fabry-Perot腔共振的要求；所述光栅的周期和狭缝小于所述电磁波的波长。通过改变外加磁场B0的大小，可以调节金属光栅狭缝内波导模式的传播常数等，从而改变该器件的电磁透射特性，实现偏振无关的电磁波透射谱和偏振无关的电磁波透射谱磁场主动可调控的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波透射器件，尤其是一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件。
背景技术
1998年，法国科学家T.W.Ebbesen等人在Nature上发表文章(Extraordinary opticaltransmission through sub-wavelength hole arrays)，他们在实验中发现当电磁波入射到具有二维亚波长小孔阵列的金属薄膜上后，电磁波的零级透射谱在大于阵列周期的波长处表现为一系列具有高的透过率的反常的透射峰，且透过率的量级远大于经典的小孔透射理论所预测的结果。这一现象通常被称为异常透射现象。他们认为这是由于当电磁波入射到金属薄膜上时，二维的小孔阵列提供了必要的倒格矢，使得入射电磁波的波矢与表面等离子体激元的波矢满足动量匹配条件，从而激发起了金属薄膜表面的表面等离子体激元，从而利用表面等离子体激元实现了对应波长的异常透射。
1999年，J.A.Porto等人在Phys.Rev.Lett.上发表了题为“Transmission Resonanceson Metallic Gratings with Very Narrow Slits”的文章，他们研究了一维亚波长金属栅中的异常透射现象，指出p-偏振的电磁波的异常透射的发生存在着两个可能的路径：一个是激发起能量局域在金属薄膜上下两个表面的耦合的表面等离子体激元；另一个是激发起能量局域在金属栅狭缝内的波导模式。这两种透射途径的机制不同，对应于透射谱中的不同的透射峰。特别是对应于波导模式，它可以实现全入射角范围内的窄带的异常透射。
上述两篇实验和理论工作的发表以及异常透射效应本身所具有的巨大的研究价值和重要的应用价值，特别是在太阳能的存储、光学干涉平板印刷、超越衍射极限的亚波长成像、扫描光学显微镜、无衍射的电磁波滤波等领域都拥有非常广阔的应用前景，极大地激发了世界范围内广大科学家的研究热情，他们对不同波长范围内的异常透射现象进行了***而广泛的实验和理论研究。
在微波波段，2002年，F.Yang等人在Phys.Rev.Lett.上发表了工作(ResonantTransmission of Microwaves through a Narrow Metallic Slit).他们在实验上研究了单个金属狭缝的微波的共振透射，在实验上证明了波导共振的异常透射。
2006年，A.P.Hibbins等人在Phys.Rev.Lett.上发表了题为“MicrowaveTransmission of a Compound Metal Grating”的文章。他们从实验和数值模拟两个方面研究了复合结构金属栅的微波的异常透射，发现对比于单周期的金属栅，在复合结构金属栅中存在着三种Fabry-Perot-like的共振。
2009年，K.Aydin等人在Phys.Rev.Lett.上发表文章(Split-Ring-Resonator-Coupled Enhanced Transmission through a Single SubwavelengthAperture).他们通过在一个亚波长的孔的近场附件放置一个劈裂环共振器，通过入射电磁波激发劈裂环共振器的电共振或者磁共振成功地实现了微波的单个亚波长小孔的异常透射。
在太赫兹波段，2004年，D.Qu等人在Opt.Lett.上发表文章(Terahertztransmission properties of thin，subwavelength metallic hole arrays).他们在实验上研究了太赫兹的电磁波在具有亚波长小孔阵列的金属薄膜上的异常透射，发现孔的形状对透射有巨大的影响。
2006年，A.K.Azad等人在Opt.Lett.上发表题为“Effect of dielectric properties ofmetals on terahertz transmission in subwavelength hole arrays”的工作。他们实验研究了不同金属的介电函数对太赫兹波异常透射现象的影响，发现随着金属实的介电常数和虚的介电常数比值的增加，太赫兹波的透过率增加。
2009年，T.H.Isaac等人在Phys.Rev.B.上发表工作(Surface-mode lifetime andthe terahertz transmission of subwavelength hole arrays).他们在实验上研究了具有不同孔径大小的二维亚波长小孔阵列的金属薄膜在太赫兹波段的异常透射现象，发现随着孔径的减小，表面模的寿命增加，由表面模所辅助的共振透射对透过率的贡献增加。
在光波段，2002年，A.Barbara等人在Phys.Rev.B上发表题为“Opticaltransmission through subwavelength metallic gratings”的文章。他们实验研究了红外波段的一维亚波长金属栅的异常透射现象，在实验上证明了共振的波导模式和表面等离子体激元控制着光波段的增强透射。
2005年，K.L.van der Molen等人在Phys.Rev.B上发表文章(Role of shape andlocalized resonances in extraordinary transmission through periodic arrays ofsubwavelength holes：Experiment and theory).他们从实验和理论两个方面研究了矩形孔的长宽比对光波段的具有二维亚波长小孔阵列的金属膜的异常透射效应的影响，发现形状共振在异常透射中扮演着非常重要的角色。
2007年，Y.Ekinci等人在Opt.Lett.上发表工作(Extraordinary optical transmissionin the ultraviolet region through aluminum hole arrays).他们在实验上研究了具有二维亚波长小孔阵列的铝膜在紫外波段的异常透射现象，发现传输的表面等离子体激元和局域的表面等离子共振共同贡献于异常透射效应。
2009年，S.G.Rodrigo等人在Opt.Lett.上发表题为“Extraordinary opticaltransmission through hole arrays in optically thin metal films”的文章。他们在理论上研究了具有正方形小孔阵列的光学薄的金属薄膜在光波段的异常透射现象，发现随着金属薄膜厚度的减小，由于光和短范围的表面等离子体的耦合，异常的透射峰发生了红移，同时最大和最小透过率的比值保持一个高的值即使金属薄膜的厚度减小到一个趋肤深度的厚度。
综上所述，人们已经对一维亚波长金属光栅和二维亚波长小孔阵列金属薄膜中的异常透射现象进行了大量的实验和理论研究，揭示出了隐藏在异常透射现象背后的各种各样的物理机制；同时这些研究工作也加深了人们对影响异常透射物理机制的各个因素的认识。异常透射效应的存在波段可以从微波波段到光波段，其在太阳能的存储单元和亚波长电磁器件的设计中有着巨大的应用价值。
发明内容
为了解决现有技术中没有一种简单的方式实现偏振无关的电磁波透射谱主动可调控的问题，本发明目的是：提出一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件和制备方法。
本发明具体技术方案是，基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，该器件包括单层亚波长金属光栅和填充在亚波长金属光栅狭缝内的磁活性介质；该器件的外加磁场B0平行于光栅狭缝的方向且其大小可调；该器件的金属部分和磁活性介质部分具有相同的厚度，该厚度大小满足最少支持设计工作波长在光栅狭缝内的最低阶的Fabry-Perot腔共振的要求；所述光栅的周期和狭缝小于所述电磁波的波长；所述光栅的金属材料为低损耗的金属，例如金、银或者铝等；所述光栅的介质材料为能透射电磁波的磁活性介质，在微波波段，例如微波ferrite材料YIG和微波铁氧体等；在太赫兹波段，例如半导体材料InSb和InAs等；在红外和可见光波段，例如磁光材料Bi:GdIG和磁性半导体材料CdMnTe等；该器件的透射特性基于光栅狭缝内的波导模式，可调控的入射电磁波为s-偏振或者p-偏振；该光删的狭缝宽度满足两种偏振电磁波的波导模式同时存在的条件；该器件实现功能所需施加的外磁场B0的范围取决于所选取的磁活性介质，在0特斯拉到1特斯拉的范围；随着外加磁场B0的增加，对应于磁活性波导模式的偏振的透射峰发生蓝移或红移；该器件的外加磁场B0的大小可通过电磁铁等来调节。
本发明器件的适用波长范围可以从微波波段到可见光波段；该金属光栅的尺寸范围和具体的结构参数值取决于设计要求的工作波长范围，对于微波波段和太赫兹波段，尺寸范围和结构参数值较大，在毫米和微米的量级；对于红外和可见光波段，尺寸范围和结构参数值较小，在纳米的量级。
本发明器件的制备方法，对于微波和太赫兹波段的所述的器件，可以采用金属刻蚀或者飞秒激光微加工等工艺制作出一维周期亚波长金属光栅，然后采用微调控***直接在狭缝内填充磁活性介质棒或者采用脉冲激光沉积等方法在狭缝内填充磁活性介质，光栅的结构参数根据设计要求控制；对于红外和可见光波段的所述的器件，可以先采用磁控溅射等工艺制作出单层金属薄膜；然后采用聚焦离子束刻蚀等方法制作出单层光栅；再采用脉冲激光沉积等方法在金属光栅狭缝内填充磁活性的介质，光栅的结构参数根据设计要求控制。
本发明器件可以通过改变外加磁场B0的大小，对s-偏振或者p-偏振入射电磁波的透射峰的位置和透过率进行调节。对应于不同的波长调节范围，光栅的周期，缝宽和厚度可以采用不同的值，填充的介质也可以选用对应波段的磁活性介质，从而实现从微波到可见光波段的特殊滤波要求。
本发明机理是，当s-偏振(p-偏振)的电磁波以角度θ倾斜入射到单层亚波长金属光栅上时，入射电磁波将与光栅狭缝内的本征波导模式发生耦合，当满足适当的模式对称性要求时，入射电磁波将激发其狭缝内的波导模式。该波导模式在光栅狭缝内沿着光栅厚度的方向传播，当到达狭缝的开口处时，由于结构的不连续发生反射和透射，被反射的波导模式沿着与之前相反的方向传播，直到到达狭缝的另一个开口处再次发生反射和透射，波导模式不断的重复着这一过程，在两个狭缝的开口之间形成了稳定的驻波场的分布。在这种意义上，狭缝的两个开口相当于两个具有一定反射率的镜子，在两个开口之间形成了一个波导模式的Fabry-Perot腔。当波导模式在一个循环内的相移满足Fabry-Perot腔的共振条件时，将发生共振透射。在电磁波的透射谱上将出现一个对应的透射峰。通常会有多个波长的不同的波导模式同时满足Fabry-Perot腔共振条件，因此对应结构的电磁波透射谱通常会有多个透射峰。
另一方面，磁活性介质的介电常数ε或者磁导率μ通常为一个张量，且其中的各张量元素都是外加磁场B0的函数，它们的值将随着外加磁场B0的变化而变化，因此可以通过改变外加磁场B0的大小来调节磁活性介质的特性。例如，微波的ferrite材料YIG的磁导率张量为外加磁场B0的函数，因此该磁活性介质可以实现对s-偏振的电磁波的调控；而半导体材料InSb的介电常数张量为外加磁场B0的函数，因此该磁活性介质可以实现对p-偏振的电磁波的调控。
在单层亚波长的金属光栅狭缝内填入具有磁活性的介质后，通过改变外加磁场B0的大小，可以改变磁活性介质的介电常数或者磁导率，将使同时存在于光栅狭缝内的两种偏振的波导模式中的一种具有磁的活性，该具有磁活性的波导模式的传播常数将随着外加磁场B0的变化而变化，同时其在光栅狭缝开口处的反射相移
也随着外加磁场B0的变化而改变，由于Fabry-Perot腔的透射特性敏感于这些条件的变化，因此可以用外加磁场B0来主动地调节磁活性波导模式的透射峰和透过率，而另一偏振的波导模式的透射特性则不发生改变。当改变外加磁场B0的大小时，对应于磁活性波导模式的偏振的透射峰将发生蓝移或红移，而另一偏振的透射峰则不发生移动，通过恰当的选取外加磁场B0的值，可以使对应于磁活性波导模式的偏振的透射峰与另一偏振的透射峰发生重叠；进一步地可以通过选取不同的磁场B0值，使某一个对应于磁活性波导模式的偏振的透射峰有选择性的与另一偏振的多个不同的透射峰中的任何一个重叠，从而实现磁场可调控的偏振无关电磁波透射。这些恰当的磁场B0的值均可以通过模式展开理论来得到精确的值，因此在实际的操作中非常方便。因为该结构的透射特性是基于光栅狭缝内的波导模式，因此对于所有的入射角度(垂直和倾斜入射)均适用。
综上所述，本发明设计的单层亚波长金属光栅器件，可以通过采用电磁铁等方法来改变外加磁场B0的大小，实现偏振无关的电磁波透射特性的可调控。可以利用这种器件，在一定的波长范围内，实现不同电磁滤波要求。
本发明有益效果：结构简单，可以采用现已成熟的加工技术来制备；结构尺寸小，易于小型化和集成化；材料容易获取。可以实现无高阶衍射的偏振无关的滤波；可在所有入射角度下运行；可实现对电磁波透射波长的精确微调；磁场的主动可调性，可以在单一结构中实现多种透射结果。波长适用范围广，可以从微波波段到可见光波段。
附图说明
图1中暗色部分代表金属，红色部分代表磁活性的介质。
d为光栅周期，a为光栅缝宽，h为光栅厚度，
具体实施方式
本发明可通过如下技术措施来实现。本发明所涉及的材料为低损耗的金属和能透射电磁波的磁活性介质，其中低损耗的金属一般可以用金、银或者铝等；磁活性介质在微波波段一般可以用微波ferrite材料YIG和微波铁氧体等，在太赫兹波段一般可以用半导体材料InSb和InAs等，在红外和可见光波段一般可以用磁光材料Bi:GdIG和磁性半导体材料CdMnTe等。
对于微波波段和太赫兹波段的所述的器件，由于对应电磁波的波长较长，光栅的结构参数值较大。可以采用金属刻蚀或者飞秒激光微加工等工艺制作出一维周期亚波长金属光栅，然后采用微调控***直接在狭缝内填充磁活性介质棒或者采用脉冲激光沉积等方法在狭缝内填充磁活性介质。光栅的结构参数根据设计要求控制。通过采用电磁铁等方法来调节外加磁场B0的大小。对于微波波段的所述的器件，典型的光栅的结构参数是(每周期的宽度)：10-20mm，光栅的厚度h为8-16mm；对于太赫兹波段的所述的器件，典型的光栅的结构参数是(每周期的宽度)：100-200μm，光栅的厚度h为120-160μm。缝宽a的位置是磁活性介质。
对于红外波段和可见光波段的所述的器件，由于对应电磁波的波长较短，光栅的结构参数值较小，可以先采用磁控溅射等工艺制作出单层金属薄膜；然后采用聚焦离子束刻蚀(FIB)等方法制作出单层光栅；再采用脉冲激光沉积等方法在金属光栅狭缝内填充磁活性的介质。光栅的结构参数根据设计要求控制。通过采用电磁铁等方法来调节外加磁场B0的大小。典型的光栅的结构参数是(每周期的宽度)：500-2000nm，光栅的厚度h为1000-2000nm。
以在金属光栅狭缝内填入微波ferrite材料YIG为例，光栅的周期d为15mm，缝宽a为3mm，光栅的厚度h为12mm。当外加磁场B0为0.059特斯拉时，s-偏振的入射电磁波和p-偏振的入射电磁波在波长24.46mm处同时发生了增强透射，两种偏振的电磁波的透过率都接近于100％，即在波长24.46mm处实现了偏振无关的电磁异常透射；当我们改变外加磁场B0到0.117特斯拉时，s-偏振的入射电磁波和p-偏振的入射电磁波在另一波长20.41mm处同时发生了增强透射，两种偏振的电磁波的透过率也都接近于100％，偏振无关的电磁波异常透射的波长从24.46mm转换到了20.41mm。
所述器件的结构参数可以根据设计的工作波长范围来确定，具体结构参数的值正比与工作波长的值。对于微波波段和太赫兹波段的所述的器件，结构参数值较大，在毫米和微米的量级；对于红外和可见光波段的所述的器件，结构参数值较小，在纳米的量级。具体采用的微纳加工技术将根据结构参数值的具体情况来决定。
该器件包括单层亚波长金属光栅和填充在亚波长金属光栅狭缝内的磁活性介质；该器件的外加磁场B0平行于光栅狭缝的方向且其大小可调；该器件的金属部分和磁活性介质部分具有相同的厚度，该厚度大小满足最少支持设计工作波长在光栅狭缝内的最低阶的Fabry-Perot腔共振的要求；该器件的外加磁场B0的大小可通过电磁铁等来调节；该器件实现功能所需施加的外磁场B0的范围取决于所选取的磁活性介质，在0特斯拉到1特斯拉的范围；该光删的狭缝宽度满足两种偏振电磁波的波导模式同时存在的条件；该器件可在所有入射角度下运行；该器件可实现对电磁波透射波长的精确微调。
Claims (8)
1.一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，其特征是该器件包括单层亚波长金属光栅和填充在亚波长金属光栅狭缝内的磁活性介质；该器件的金属部分和磁活性介质部分具有相同的厚度，该厚度大小满足最少支持设计工作波长在光栅狭缝内的最低阶的Fabry-Perot腔共振的要求；所述光栅的周期和狭缝小于所述电磁波的波长。
2.根据权利1所述的一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，其特征是所述光栅的金属材料为低损耗的金属，例如金、银或者铝等；所述光栅的介质材料为能透射电磁波的磁活性介质，在微波波段，例如微波ferrite材料YIG和微波铁氧体等；在太赫兹波段，例如半导体材料InSb和InAs等；在红外和可见光波段，例如磁光材料Bi:GdIG和磁性半导体材料CdMnTe等。
3.根据权利1和2所述的一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，其特征是该器件的透射特性基于光栅狭缝内的波导模式，可调控的入射电磁波为s-偏振或者p-偏振；该光删的狭缝宽度满足两种偏振电磁波的波导模式同时存在的条件。
4.根据权利1和2所述的一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，其特征是该器件实现功能所需施加的外磁场B0的范围取决于所选取的磁活性介质，在0特斯拉到1特斯拉的范围；随着外加磁场B0的增加，对应于磁活性波导模式的偏振的透射峰发生蓝移或红移。
5.根据权利1和2所述的一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，其特征是该器件的外加磁场B0的大小可通过电磁铁等来调节；该器件可在所有入射角度下运行；该器件可实现对电磁波透射波长的精确微调。
6.根据权利1和2所述的一种基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件，其特征是该器件的适用波长范围从微波波段到可见光波段；该金属光栅的尺寸范围和具体的结构参数值取决于设计要求的工作波长范围，对于微波波段和太赫兹波段，尺寸范围和结构参数值较大，在毫米和微米的量级；对于红外和可见光波段，尺寸范围和结构参数值较小，在纳米的量级。
7.根据权利要求1所述的基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件的制备方法，其特征是对于微波和太赫兹波段的所述的器件，采用金属刻蚀或者飞秒激光微加工等工艺制作出一维周期亚波长金属光栅，然后采用微调控***直接在狭缝内填充磁活性介质棒或者采用脉冲激光沉积等方法在狭缝内填充磁活性介质。光栅的结构参数根据设计要求控制。
8.根据权利要求1所述的基于单层亚波长金属光栅的磁场可调控的偏振无关电磁波透射的器件的制备方法，其特征是对于红外和可见光波段的所述的器件，先采用磁控溅射等工艺制作出单层金属薄膜；然后采用聚焦离子束刻蚀等方法制作出单层光栅；再采用脉冲激光沉积等方法在金属光栅狭缝内填充磁活性的介质。光栅的结构参数根据设计要求控制。
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