CN112817067B - 纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，包括：设置于SiO2衬底上的具有纳米结构的金膜，所述具有纳米结构的金膜为超表面；所述超表面上的纳米结构为周期阵列的复合共振腔，复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；超表面具有三个透射增强峰，第一透射增强峰由水平共振腔产生，第二透射增强峰和第三透射增强峰分别由两个垂直共振腔产生。本发明的滤波器基于具有纳米结构的超表面形成，在纳米量级上对特定频率的光波进行选择性传输，突破了光学衍射极限的限制。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器。
背景技术
单独金属纳米共振腔等离子体超表面拥有非凡的光学特性，比如超透射、非线性效应强和负折射率等，在过去的几十年，一直是一个活跃的研究领域，并且在生物传感、可见光滤波器和非线性效应生成器等方面有应用前景。但单独金属纳米共振腔等离子体超表面难以实现多通道红外滤波的功能。
并且，现有技术中全介质共振腔在小尺寸上的功能具有局限性，因此其很难将光挤压到深亚波长尺度。
因此有必要提供一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，以解决现有技术中单独金属纳米共振腔等离子体超表面难以实现多通道红外滤波的功能和全介质共振腔很难将光挤压到深亚波长尺度的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，以解决现有技术中单独金属纳米共振腔等离子体超表面难以实现多通道红外滤波的功能和全介质共振腔很难将光挤压到深亚波长尺度的问题。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，包括：
设置于SiO2衬底上的具有纳米结构的金膜，所述具有纳米结构的金膜为超表面；
所述超表面上的纳米结构为周期阵列的复合共振腔，所述复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；所述水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；
所述超表面具有三个透射增强峰，第一透射增强峰由水平共振腔产生，第二透射增强峰和第三透射增强峰分别由两个垂直共振腔产生，水平共振腔产生明模式，垂直共振腔产生暗模式，第二透射增强峰和第三透射增强峰在第一透射增强峰的激发下形成。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，所述复合共振腔的深度等于所述超表面的厚度，深度为亚波长量级。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，
调整所述超表面的厚度，以使水平共振腔内的等离子波共振增强或衰减，引起第一透射增强峰幅值和波长的变化。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，
调整两个垂直共振腔距离水平共振腔端部的位置，从而影响超表面两个垂直共振腔中等离子波共振之间的耦合，使第二透射增强峰和第三透射增强峰的共振波长发生变化，以控制第二透射增强峰和第三透射增强峰的光谱位置和间隔。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，
分别调整两个垂直共振腔的长度，以分别调整第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，所述超表面上均匀设置有多个长相同和宽相同的矩形周期；
一个矩形周期上设置一个复合共振腔结构。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，
调整矩形周期中与垂直共振腔的宽平行的边的长度，所述第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长发生变化；
调整矩形周期中与水平共振腔的宽平行的边的长度，所述第一透射增强峰的波长发生变化。
可选的，在所述纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器中，
调整环境折射率，以调整第一透射增强峰、第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长。
本发明还提供了一种制作纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器的方法，包括以下步骤：
模拟预设纳米结构的尺寸，所述纳米结构为周期阵列的复合共振腔；
在SiO2衬底上沉积金膜；
根据模拟预设的尺寸在金膜上制备纳米复合共振腔周期阵列超表面，形成超表面多通道红外滤波器；其中，所述复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；所述水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；
检测所述超表面多通道红外滤波器。
可选的，在所述制作纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器的方法中，
所述矩形周期的宽度为1100nm，长度为1200nm；
所述水平共振腔和所述垂直共振腔的宽度为100nm；
所述水平共振腔的长度为800nm；
两个所述垂直共振腔的长度分别为200nm和300nm；
所述金膜厚度为225nm；
SiO2的折射率为1.45；
环境折射率为1。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)具有纳米结构的超表面作为一种新兴的材料，在亚波长量级上可以对光波振幅、相位、偏振等参量进行调节和控制；
(2)本发明的滤波器基于具有纳米结构的超表面形成，在纳米量级上对特定频率的光波进行选择性传输，突破了光学衍射极限的限制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的具有纳米结构的超表面的结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的特定偏振方向入射光作用下的透射光谱示意图；
图2b-2d为本发明实施例提供的特定偏振方向入射光作用下的等离子波共振示意图；
图3为本发明实施例提供的金膜厚度变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图；
图4a-4b为本发明实施例提供的两个垂直共振腔位置变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图；
图5a-5b为本发明实施例提供的两个垂直共振腔长度变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图；
图6为本发明实施例提供的矩形周期变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图；
图7为本发明实施例提供的环境折射率变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图；
图8为本发明实施例提供的纳米复合共振腔周期阵列超表面透射光谱示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在下面的描述中，应该理解，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在一个或多个***层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个***层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。
并且，在下文中，术语“第一”、“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，则本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法中。
由于现有技术中的单独金属纳米共振腔等离子体超表面难以实现多通道红外滤波的功能；并且，全介质共振腔在小尺寸上的功能具有局限性，因此其很难将光挤压到深亚波长尺度。
因此，有必要提供一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，如图1所示，图1为本发明实施例提供的具有纳米结构的超表面的结构示意图，所述超表面多通道红外滤波器包括：
设置于SiO2衬底上的具有纳米结构的金膜，所述具有纳米结构的金膜为超表面；
所述超表面上的纳米结构为周期阵列的复合共振腔，所述复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；所述水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；
所述超表面具有三个透射增强峰，第一透射增强峰由水平共振腔产生，第二透射增强峰和第三透射增强峰分别由两个垂直共振腔产生，水平共振腔产生明模式，垂直共振腔产生暗模式，第二透射增强峰和第三透射增强峰在第一透射增强峰的激发下形成。
本发明采用具有纳米结构的超表面作为一种新兴的材料，在亚波长量级上可以对光波振幅、相位、偏振等参量进行调节和控制；并且本发明的滤波器基于具有纳米结构的超表面形成，在纳米量级上对特定频率的光波进行选择性传输，突破了光学衍射极限的限制。
进一步的，所述超表面上还需要均匀设置有多个长相同和宽相同的矩形周期；一个矩形周期上设置一个复合共振腔结构。并且，所述复合共振腔的深度等于所述超表面的厚度，深度为亚波长量级。
如图2a-2d所示，图2a为本发明实施例提供的特定偏振方向入射光作用下的透射光谱示意图；图2b-2d为本发明实施例提供的特定偏振方向入射光作用下的等离子波共振示意图。本发明中明模式和暗模式分别由水平共振腔和垂直共振腔产生。进一步的，在一个实施例中，可以利用时域有限差分算法单独计算水平共振腔的超表面、两个垂直共振腔的超表面以及复合共振腔的超表面结构的透射光谱。具体的，对于单独的水平共振腔的超表面结构，在图1中的Y偏振方向入射光作用下的透射光谱如图2a的点线所示，透射光谱在1132nm波长处，有一个透射增强峰，透射率为82％；其透射增强峰位置处电场能量分布及等离子波共振情况如图2b所示，水平共振腔中，出现表面等离子波共振，导致透射增强，因此水平共振腔产生明模式。对于两个垂直共振腔的超表面结构，在图1中的X偏振方向入射光作用下的透射光谱如图2a的虚线所示，透射光谱在1280nm波长处，有一个透射增强峰，透射率为89％，在1205nm波长处，有一个透射增强峰，透射率为23％；两个垂直共振腔的透射增强峰位置处电场能量分布及等离子波共振情况如图2c所示，入射光分别在两个垂直共振腔中产生表面等离子波共振，形成了两个等离子波透射增强窗口；由于这两种共振模式不能直接被图1中的Y方向偏振的入射光激发，因此产生暗模式。对于复合共振腔的超表面结构，在Y偏振方向入射光作用下的透射光谱如图2a的实线所示，透射光谱分别在1126nm，1255n，1350nm处实现多窗口透射增强，透过率分别达80％，36％和43％；第一透射增强峰处，如图2d所示，水平共振腔内的电场增强，直接由明模式引起，同时，在第二透射增强峰和第三透射增强峰处，暗模式被明模式激发，引起垂直共振腔和水平共振腔组成的L形结构内的电场增强，因此，纳米复合共振腔周期阵列超表面实现了多透射增强峰现象，从而构成超表面多通道红外波滤波器。
如图3所示，图3为本发明实施例提供的金膜厚度变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图，本发明可以利用有限时域差分Lumerical软件，分析所述超表面的厚度对所述超表面多通道红外滤波器透射光谱的影响。在图3中，超表面的厚度从200nm增加到400nm，即复合共振腔的深度发生变化，第一透射增强峰的半波宽变宽，第一透射增强峰呈现出明显的红移和更高的透射率，第二透射增强峰和第三透射增强峰只是略微蓝移，当超表面的厚度超过350nm时，第一透射增强峰和第二透射增强峰会重叠。不难理解，通过调整所述超表面的厚度可以直接调整水平共振腔内的电场能量变化，从而导致水平共振腔内的等离子波共振增强或衰减，引起第一透射增强峰幅值和波长的变化。第二透射增强峰和第三透射增强峰产生于暗模式和明模式之间的耦合，其等离子波共振几乎不受所述超表面的厚度的影响。
如图4a-4b所示，图4a-4b为本发明实施例提供的两个垂直共振腔位置变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图，本发明通过调整两个垂直共振腔距离水平共振腔端部的位置，从而影响超表面两个垂直共振腔中等离子波共振之间的耦合，使第二透射增强峰和第三透射增强峰的共振波长发生变化，以控制第二透射增强峰和第三透射增强峰的光谱位置和间隔。在一个实施例中，参考图1和图4a-4b，可以利用FDTD软件，分析垂直共振腔的距离参数S1和S2对所述超表面多通道红外滤波器透射光谱的影响。随着S1和S2的增加，即两个垂直共振腔之间距离减小，第一透射增强峰几乎保持不变，而第二透射增强峰和第三透射增强峰都发生了偏移。由于S1和S2影响两个垂直共振腔中等离子波共振之间的耦合，导致第二透射增强峰和第三透射增强峰的等离子波长发生变化。因此，调整垂直共振腔之间的距离可以控制第二透射增强峰和第三透射增强峰的光谱位置和间隔。
如图5a-5b所示，图5a-5b为本发明实施例提供的两个垂直共振腔长度变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图；本发明通过分别调整两个垂直共振腔的长度，以分别调整第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长。在一个实施例中，参考图1和图5a-5b，可以利用FDTD软件，分析两个垂直共振腔的长度对所述超表面多通道红外滤波器透射光谱的影响。单个垂直共振腔长度L2从0增大到400nm，如图5a所示，第二透射增强峰发生红移，第一透射增强峰和第三透射增强峰几乎保持不变。类似的，垂直共振腔长度L3的增加只导致第三透射增强峰的红移。单个垂直共振腔的长度变化仅影响与其自身相关的表面等离子波的透射模式，而对超表面其它透射增强峰没有影响。
如图6所示，图6为本发明实施例提供的矩形周期变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图，本发明通过调整矩形周期中与垂直共振腔的宽平行的边的长度，所述第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长发生变化；调整矩形周期中与水平共振腔的宽平行的边的长度，所述第一透射增强峰的波长发生变化。在一个实施例中，参考图1和图6，利用FDTD软件，分析矩形周期对所述超表面多通道红外滤波器透射光谱的影响。当矩形周期的Px边从1100nm增加到1300nm时，所述第一透射增强峰发生轻微的蓝移，而第二透射增强峰和第三透射增强峰发生红移，而当矩形周期的Py边从1000nm增加到1250nm时，所述第一透射增强峰发生明显的红移，而第二透射增强峰和第三透射增强峰几乎不变。不难理解，第二透射增强峰和第三透射增强峰的相互作用主要受X方向的矩形周期Px边的影响，而第一透射增强峰的相互作用主要受Y方向的矩形周期Py边的影响。不同的透射增强峰由不同方向的矩形周期的边分别调制。
如图7所示，图7为本发明实施例提供的环境折射率变化对具有纳米结构的超表面透射特性的影响的示意图，本发明通过调整环境折射率，以调整第一透射增强峰、第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长。在一个实施例中，利用FDTD软件，分析环境折射率对所述超表面多通道红外滤波器透射光谱的影响。如图7的左图所示，随着环境折射率的增加，第一透射增强峰、第二透射增强峰和第三透射增强峰都发生了红移；如图7的右图所示，本实施例还提供了环境折射率灵敏度S的计算方式，环境折射率灵敏度S＝δλ/δn，具体为1143nm/RIU、1245nm/RIU和1360nm/RIU。不难看出，透射增强峰的光谱位置对环境折射率的改变较为灵敏。
本发明还提供了一种制作纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器的方法，包括以下步骤：
模拟预设纳米结构的尺寸，所述纳米结构为周期阵列的复合共振腔，需要预设的尺寸包括矩形周期的长和宽，水平共振腔和两个垂直共振腔的长、宽和深度等；
在SiO2衬底上沉积金膜；
根据模拟预设的尺寸在金膜上制备纳米复合共振腔周期阵列超表面，形成超表面多通道红外滤波器；其中，所述复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；所述水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；
检测所述超表面多通道红外滤波器。
在一个实施例中，可以采用电子束蒸发技术在SiO2衬底上沉积金膜；并利用电子束曝光技术和离子束刻蚀技术在金膜上制备纳米复合共振腔周期阵列超表面，其中各加工区域为任一矩形周期；并且采用傅立叶红外光谱仪检测所述纳米复合共振腔周期阵列超表面，制备的超表面多通道红外滤波器在近红外区域实现了多透射增强峰现象，实现了纳米级多通道滤光功能。
在一个实施中，所述矩形周期的宽度为1100nm，长度为1200nm；所述水平共振腔和所述垂直共振腔的宽度为100nm；所述水平共振腔的长度为800nm；两个所述垂直共振腔的长度分别为200nm和300nm；所述金膜厚度为225nm；SiO2的折射率为1.45；环境折射率为1。本发明所提供的超表面多通道红外滤波器的尺寸预设好之后，在制备时可以允许个位数的误差。当然，在其他实施例中，上述参数的数据大小需要根据具体情况调整。
较佳的，本方法还可以通过改变参数调整所述超表面多通道红外滤波器的透射特性等，若需要通过改变超表面上纳米结构的尺寸以改变透射特性等，则需要重新模拟预设纳米结构的尺寸，再进行制备；若需要通过改变环境折射率以改变透射特性等，则仅需要调整制备环境。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)具有纳米结构的超表面作为一种新兴的材料，在亚波长量级上可以对光波振幅、相位、偏振等参量进行调节和控制；
(2)本发明的滤波器基于具有纳米结构的超表面形成，在纳米量级上对特定频率的光波进行选择性传输，突破了光学衍射极限的限制。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，包括：
设置于SiO2衬底上的具有纳米结构的金膜，所述具有纳米结构的金膜为超表面；
所述超表面上的纳米结构为周期阵列的复合共振腔，所述复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；所述水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；
所述超表面具有三个透射增强峰，第一透射增强峰由水平共振腔产生，第二透射增强峰和第三透射增强峰分别由两个垂直共振腔产生，水平共振腔产生明模式，垂直共振腔产生暗模式，第二透射增强峰和第三透射增强峰在第一透射增强峰的激发下形成。
2.如权利要求1所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，所述复合共振腔的深度等于所述超表面的厚度，深度为亚波长量级。
3.如权利要求2所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，
调整所述超表面的厚度，以使水平共振腔内的等离子波共振增强或衰减，引起第一透射增强峰幅值和波长的变化。
4.如权利要求1所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，
调整两个垂直共振腔距离水平共振腔端部的位置，从而影响超表面两个垂直共振腔中等离子波共振之间的耦合，使第二透射增强峰和第三透射增强峰的共振波长发生变化，以控制第二透射增强峰和第三透射增强峰的光谱位置和间隔。
5.如权利要求1所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，
分别调整两个垂直共振腔的长度，以分别调整第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长。
6.如权利要求1所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，
所述超表面上均匀设置有多个长相同和宽相同的矩形周期；
一个矩形周期上设置一个复合共振腔结构。
7.如权利要求6所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，
调整矩形周期中与垂直共振腔的宽平行的边的长度，所述第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长发生变化；
调整矩形周期中与水平共振腔的宽平行的边的长度，所述第一透射增强峰的波长发生变化。
8.如权利要求1所述的纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器，其特征在于，
调整环境折射率，以调整第一透射增强峰、第二透射增强峰和第三透射增强峰的波长。
9.一种制作纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
模拟预设纳米结构的尺寸，所述纳米结构为周期阵列的复合共振腔；
在SiO2衬底上沉积金膜；
根据模拟预设的尺寸在金膜上制备纳米复合共振腔周期阵列超表面，形成超表面多通道红外滤波器；其中，所述复合共振腔包括一个水平共振腔和与水平共振腔垂直的两个垂直共振腔，两个垂直共振腔设置于所述水平共振腔的两侧，且两个垂直共振腔与水平共振腔的腔体连通；所述水平共振腔和垂直共振腔的宽度为亚波长量级；
检测所述超表面多通道红外滤波器。
10.如权利要求9所述的制作纳米复合共振腔周期阵列超表面多通道红外滤波器的方法，其特征在于，
所述超表面上均匀设置有多个长相同和宽相同的矩形周期，所述矩形周期的宽度为1100nm，长度为1200nm；
所述水平共振腔和所述垂直共振腔的宽度为100nm；
所述水平共振腔的长度为800nm；
两个所述垂直共振腔的长度分别为200nm和300nm；
所述金膜厚度为225nm；
SiO2的折射率为1.45；
环境折射率为1。
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