基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的電磁波透射的器件與製備的製作方法
2023-09-19 22:01:45
專利名稱：基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的電磁波透射的器件與製備的製作方法
技術領域：
本發明涉及電磁波透射器件，尤其是一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控
的偏振無關電磁波透射的器件。
背景技術：
1998年，法國科學家T.W.Ebbesen等人在Nature上發表文章(Extraordinary opticaltransmission through sub-wavelength hole arrays)，他們在實驗中發現當電石茲 波入射到具有二維亞波長小孔陣列的金屬薄膜上後，電磁波的零級透射譜在大於陣列周期 的波長處表現為一系列具有高的透過率的反常的透射峰，且透過率的量級遠大於經典的小 孔透射理論所預測的結果。這一現象通常被稱為異常透射現象。他們認為這是由於當電磁 波入射到金屬薄膜上時，二維的小孔陣列提供了必要的倒格矢，使得入射電磁波的波矢與 表面等離子體激元的波矢滿足動量匹配條件，從而激發起了金屬薄膜表面的表面等離子體 激 元，從而利用表面等離子體激元實現了對應波長的異常透射。 1999年，J. A. Porto等人在Phys. Rev. Lett.上發表了題為"Transmission Resonanceson Metallic Gratings with Very Narrow Slits，，的文章，他們石開究了一維亞 波長金屬柵中的異常透射現象，指出p-偏振的電磁波的異常透射的發生存在著兩個可能 的路徑一個是激發起能量局域在金屬薄膜上下兩個表面的耦合的表面等離子體激元；另 一個是激發起能量局域在金屬柵狹縫內的波導模式。這兩種透射途徑的機制不同，對應於 透射譜中的不同的透射峰。特別是對應于波導模式，它可以實現全入射角範圍內的窄帶的 異常透射。 上述兩篇實驗和理論工作的發表以及異常透射效應本身所具有的巨大的研究價 值和重要的應用價值，特別是在太陽能的存儲、光學幹涉平板印刷、超越衍射極限的亞波長 成像、掃描光學顯微鏡、無衍射的電磁波濾波等領域都擁有非常廣闊的應用前景，極大地激 發了世界範圍內廣大科學家的研究熱情，他們對不同波長範圍內的異常透射現象進行了系 統而廣泛的實驗和理論研究。 在微波波段，2002年，F. Yang等人在Phys. Rev. Lett.上發表了工作
(ResonantTransmission of Microwaves through a Narrow Metallic Slit).他們在實驗
上研究了單個金屬狹縫的微波的共振透射，在實驗上證明了波導共振的異常透射。 2006年，A. P. Hibbins等人在Phys. Rev. Lett.上發表 了 題為
"MicrowaveTransmission of a Compound Metal Grating，，的文章。他們從實驗禾口數值模
擬兩個方面研究了複合結構金屬柵的微波的異常透射，發現對比於單周期的金屬柵，在復
合結構金屬柵中存在著三種Fabry-Perot-like的共振。 2009年，K. Aydin等人在Phys. Rev. Lett. 上發表文章
(Split_Ring_Resonator_Coupled Enhanced Transmission through a Single SubwavelengthAperture).他們通過在一個亞波長的孔的近場附件放置一個劈裂環共振器，通過入射電磁波激發劈裂環共振器的電共振或者磁共振成功地實現了微波的單個亞波 長小孔的異常透射。 在太赫茲波段，2004年，D. Qu等人在Opt. Lett.上發表文章
(Terahertztransmission properties of thin，subwavelength metallic hole arrays).
他們在實驗上研究了太赫茲的電磁波在具有亞波長小孔陣列的金屬薄膜上的異常透射，發
現孔的形狀對透射有巨大的影響。 2006年，A. K. Azad等人在Opt. Lett.上發表題為"Effect of dielectric
properties ofmetals on terahertz transmission in subwavelength hole arrays"的
工作。他們實驗研究了不同金屬的介電函數對太赫茲波異常透射現象的影響，發現隨著金
屬實的介電常數和虛的介電常數比值的增加，太赫茲波的透過率增加。 2009年，T. H. Isaac等人在Phys. Rev. B.上發表工作(Surface-mode lifetime
andthe terahertz transmission of subwavelength hole arrays).他們在實驗上石開究了
具有不同孔徑大小的二維亞波長小孔陣列的金屬薄膜在太赫茲波段的異常透射現象，發現
隨著孔徑的減小，表面模的壽命增加，由表面模所輔助的共振透射對透過率的貢獻增加。 在光波段，2002年，A. Barbara等人在Phys. Rev. B上發表題為
"Opticaltransmission through subwavelength metallic gratings"的文章。他們實驗
研究了紅外波段的一維亞波長金屬柵的異常透射現象，在實驗上證明了共振的波導模式和
表面等離子體激元控制著光波段的增強透射。 2005年，K. L. van der Molen等人在Phys. Rev. B上發表文章(Role of shape andlocalized resonances in extraordinary transmission through periodic arrays of subwavelength holes -Experiment and theory).他們從實驗禾口理論兩個方面研究了矩 形孔的長寬比對光波段的具有二維亞波長小孔陣列的金屬膜的異常透射效應的影響，發現 形狀共振在異常透射中扮演著非常重要的角色。 2007年，Y. Ekinci等人在Opt. Lett.上發表工作(Extraordinary optical transmissionin the ultraviolet region through aluminum hole arrays).他們在實驗 上研究了具有二維亞波長小孔陣列的鋁膜在紫外波段的異常透射現象，發現傳輸的表面等 離子體激元和局域的表面等離子共振共同貢獻於異常透射效應。 2009年，S. G. Rodrigo等人在Opt. Lett.上發表題為"Extraordinary opticaltransmission through hole arrays in optically thin metal films，，的文章。 他們在理論上研究了具有正方形小孔陣列的光學薄的金屬薄膜在光波段的異常透射現象， 發現隨著金屬薄膜厚度的減小，由於光和短範圍的表面等離子體的耦合，異常的透射峰發 生了紅移，同時最大和最小透過率的比值保持一個高的值即使金屬薄膜的厚度減小到一個 趨膚深度的厚度。 綜上所述，人們已經對一維亞波長金屬光柵和二維亞波長小孔陣列金屬薄膜中的 異常透射現象進行了大量的實驗和理論研究，揭示出了隱藏在異常透射現象背後的各種各 樣的物理機制；同時這些研究工作也加深了人們對影響異常透射物理機制的各個因素的認 識。異常透射效應的存在波段可以從微波波段到光波段，其在太陽能的存儲單元和亞波長 電磁器件的設計中有著巨大的應用價值。
發明內容
為了解決現有技術中沒有一種簡單的方式實現偏振無關的電磁波透射譜主動可 調控的問題，本發明目的是提出一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關 電磁波透射的器件和製備方法。 本發明具體技術方案是，基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁 波透射的器件，該器件包括單層亞波長金屬光柵和填充在亞波長金屬光柵狹縫內的磁活性 介質；該器件的外加磁場B。平行於光柵狹縫的方向且其大小可調；該器件的金屬部分和磁 活性介質部分具有相同的厚度，該厚度大小滿足最少支持設計工作波長在光柵狹縫內的最 低階的Fabry-Perot腔共振的要求；所述光柵的周期和狹縫小於所述電磁波的波長；所述 光柵的金屬材料為低損耗的金屬，例如金、銀或者鋁等；所述光柵的介質材料為能透射電磁 波的磁活性介質，在微波波段，例如微波ferrite材料YIG和微波鐵氧體等；在太赫茲波段， 例如半導體材料InSb和InAs等；在紅外和可見光波段，例如磁光材料Bi : GdIG和磁性半導 體材料CdMnTe等；該器件的透射特性基於光柵狹縫內的波導模式，可調控的入射電磁波為 S-偏振或者p-偏振；該光刪的狹縫寬度滿足兩種偏振電磁波的波導模式同時存在的條件； 該器件實現功能所需施加的外磁場B。的範圍取決於所選取的磁活性介質，在0特斯拉到1 特斯拉的範圍；隨著外加磁場B。的增加，對應於磁活性波導模式的偏振的透射峰發生藍移 或紅移；該器件的外加磁場B。的大小可通過電磁鐵等來調節。 本發明器件的適用波長範圍可以從微波波段到可見光波段；該金屬光柵的尺寸範 圍和具體的結構參數值取決於設計要求的工作波長範圍，對於微波波段和太赫茲波段，尺 寸範圍和結構參數值較大，在毫米和微米的量級；對於紅外和可見光波段，尺寸範圍和結構 參數值較小，在納米的量級。 本發明器件的製備方法，對於微波和太赫茲波段的所述的器件，可以採用金屬刻 蝕或者飛秒雷射微加工等工藝製作出一維周期亞波長金屬光柵，然後採用微調控系統直接 在狹縫內填充磁活性介質棒或者採用脈衝雷射沉積等方法在狹縫內填充磁活性介質，光柵 的結構參數根據設計要求控制；對於紅外和可見光波段的所述的器件，可以先採用磁控濺 射等工藝製作出單層金屬薄膜；然後採用聚焦離子束刻蝕等方法製作出單層光柵；再採用 脈衝雷射沉積等方法在金屬光柵狹縫內填充磁活性的介質，光柵的結構參數根據設計要求 控制。 本發明器件可以通過改變外加磁場B。的大小，對s-偏振或者p-偏振入射電磁波 的透射峰的位置和透過率進行調節。對應於不同的波長調節範圍，光柵的周期，縫寬和厚度 可以採用不同的值，填充的介質也可以選用對應波段的磁活性介質，從而實現從微波到可 見光波段的特殊濾波要求。 本發明機理是，當s-偏振(p-偏振)的電磁波以角度e傾斜入射到單層亞波長金 屬光柵上時，入射電磁波將與光柵狹縫內的本徵波導模式發生耦合，當滿足適當的模式對 稱性要求時，入射電磁波將激發其狹縫內的波導模式。該波導模式在光柵狹縫內沿著光柵 厚度的方向傳播，當到達狹縫的開口處時，由於結構的不連續發生反射和透射，被反射的波 導模式沿著與之前相反的方向傳播，直到到達狹縫的另一個開口處再次發生反射和透射， 波導模式不斷的重複著這一過程，在兩個狹縫的開口之間形成了穩定的駐波場的分布。在 這種意義上，狹縫的兩個開口相當於兩個具有一定反射率的鏡子，在兩個開口之間形成了一個波導模式的Fabry-Perot腔。當波導模式在一個循環內的相移滿足Fabry-Perot腔的 共振條件時，將發生共振透射。在電磁波的透射譜上將出現一個對應的透射峰。通常會有 多個波長的不同的波導模式同時滿足Fabry-Perot腔共振條件，因此對應結構的電磁波透 射譜通常會有多個透射峰。 另一方面，磁活性介質的介電常數e或者磁導率P通常為一個張量，且其中的 各張量元素都是外加磁場B。的函數，它們的值將隨著外加磁場B。的變化而變化，因此可以 通過改變外加磁場B。的大小來調節磁活性介質的特性。例如，微波的ferrite材料YIG的 磁導率張量為外加磁場B。的函數，因此該磁活性介質可以實現對s-偏振的電磁波的調控； 而半導體材料InSb的介電常數張量為外加磁場B。的函數，因此該磁活性介質可以實現對 p-偏振的電磁波的調控。 在單層亞波長的金屬光柵狹縫內填入具有磁活性的介質後，通過改變外加磁場B。 的大小，可以改變磁活性介質的介電常數或者磁導率，將使同時存在於光柵狹縫內的兩種 偏振的波導模式中的一種具有磁的活性，該具有磁活性的波導模式的傳播常數將隨著外加 磁場B。的變化而變化，同時其在光柵狹縫開口處的反射相移P也隨著外加磁場B。的變化而 改變，由於Fabry-Perot腔的透射特性敏感於這些條件的變化，因此可以用外加磁場B。來 主動地調節磁活性波導模式的透射峰和透過率，而另一偏振的波導模式的透射特性則不發 生改變。當改變外加磁場B。的大小時，對應於磁活性波導模式的偏振的透射峰將發生藍移 或紅移，而另一偏振的透射峰則不發生移動，通過恰當的選取外加磁場B。的值，可以使對應 於磁活性波導模式的偏振的透射峰與另一偏振的透射峰發生重疊；進一步地可以通過選取 不同的磁場B。值，使某一個對應於磁活性波導模式的偏振的透射峰有選擇性的與另一偏振 的多個不同的透射峰中的任何一個重疊，從而實現磁場可調控的偏振無關電磁波透射。這 些恰當的磁場B。的值均可以通過模式展開理論來得到精確的值，因此在實際的操作中非 常方便。因為該結構的透射特性是基於光柵狹縫內的波導模式，因此對於所有的入射角度 (垂直和傾斜入射)均適用。 綜上所述，本發明設計的單層亞波長金屬光柵器件，可以通過採用電磁鐵等方法 來改變外加磁場B。的大小，實現偏振無關的電磁波透射特性的可調控。可以利用這種器件， 在一定的波長範圍內，實現不同電磁濾波要求。 本發明有益效果結構簡單，可以採用現已成熟的加工技術來製備；結構尺寸小， 易於小型化和集成化；材料容易獲取。可以實現無高階衍射的偏振無關的濾波；可在所有 入射角度下運行；可實現對電磁波透射波長的精確微調；磁場的主動可調性，可以在單一 結構中實現多種透射結果。波長適用範圍廣，可以從微波波段到可見光波段。
圖1中暗色部分代表金屬，紅色部分代表磁活性的介質。
d為光柵周期，a為光柵縫寬，h為光柵厚度，
具體實施例方式
本發明可通過如下技術措施來實現。本發明所涉及的材料為低損耗的金屬和能透 射電磁波的磁活性介質，其中低損耗的金屬一般可以用金、銀或者鋁等；磁活性介質在微波
6波段一般可以用微波ferrite材料YIG和微波鐵氧體等，在太赫茲波段一般可以用半導體 材料InSb和InAs等，在紅外和可見光波段一般可以用磁光材料Bi :GdIG和磁性半導體材 料CdMnTe等。 對於微波波段和太赫茲波段的所述的器件，由於對應電磁波的波長較長，光柵的 結構參數值較大。可以採用金屬刻蝕或者飛秒雷射微加工等工藝製作出一維周期亞波長金 屬光柵，然後採用微調控系統直接在狹縫內填充磁活性介質棒或者採用脈衝雷射沉積等方 法在狹縫內填充磁活性介質。光柵的結構參數根據設計要求控制。通過採用電磁鐵等方法 來調節外加磁場B。的大小。對於微波波段的所述的器件，典型的光柵的結構參數是(每周 期的寬度)10-20mm，光柵的厚度h為8-16mm;對於太赫茲波段的所述的器件，典型的光柵 的結構參數是(每周期的寬度)100-200 iim，光柵的厚度h為120-160 iim。縫寬a的位置 是磁活性介質。 對於紅外波段和可見光波段的所述的器件，由於對應電磁波的波長較短，光柵的 結構參數值較小，可以先採用磁控濺射等工藝製作出單層金屬薄膜；然後採用聚焦離子束 刻蝕(FIB)等方法製作出單層光柵；再採用脈衝雷射沉積等方法在金屬光柵狹縫內填充磁 活性的介質。光柵的結構參數根據設計要求控制。通過採用電磁鐵等方法來調節外加磁 場B。的大小。典型的光柵的結構參數是(每周期的寬度)500-2000nm，光柵的厚度h為 1000-2000nm。 以在金屬光柵狹縫內填入微波ferrite材料YIG為例，光柵的周期d為15mm，縫寬 a為3mm，光柵的厚度h為12mm。當外加磁場B。為0. 059特斯拉時，s-偏振的入射電磁波和 P-偏振的入射電磁波在波長24. 46mm處同時發生了增強透射，兩種偏振的電磁波的透過率 都接近於100%，即在波長24. 46mm處實現了偏振無關的電磁異常透射；當我們改變外加磁 場B。到0. 117特斯拉時，s-偏振的入射電磁波和p-偏振的入射電磁波在另一波長20. 41mm 處同時發生了增強透射，兩種偏振的電磁波的透過率也都接近於100%，偏振無關的電磁波 異常透射的波長從24. 46mm轉換到了 20. 41mm。 所述器件的結構參數可以根據設計的工作波長範圍來確定，具體結構參數的值正 比與工作波長的值。對於微波波段和太赫茲波段的所述的器件，結構參數值較大，在毫米和 微米的量級；對於紅外和可見光波段的所述的器件，結構參數值較小，在納米的量級。具體 採用的微納加工技術將根據結構參數值的具體情況來決定。 該器件包括單層亞波長金屬光柵和填充在亞波長金屬光柵狹縫內的磁活性介質； 該器件的外加磁場B。平行於光柵狹縫的方向且其大小可調；該器件的金屬部分和磁活性介 質部分具有相同的厚度，該厚度大小滿足最少支持設計工作波長在光柵狹縫內的最低階的 Fabry-Perot腔共振的要求；該器件的外加磁場B。的大小可通過電磁鐵等來調節；該器件 實現功能所需施加的外磁場B。的範圍取決於所選取的磁活性介質，在0特斯拉到1特斯拉 的範圍；該光刪的狹縫寬度滿足兩種偏振電磁波的波導模式同時存在的條件；該器件可在 所有入射角度下運行；該器件可實現對電磁波透射波長的精確微調。
權利要求
一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁波透射的器件，其特徵是該器件包括單層亞波長金屬光柵和填充在亞波長金屬光柵狹縫內的磁活性介質；該器件的金屬部分和磁活性介質部分具有相同的厚度，該厚度大小滿足最少支持設計工作波長在光柵狹縫內的最低階的Fabry-Perot腔共振的要求；所述光柵的周期和狹縫小於所述電磁波的波長。
2. 根據權利l所述的一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁波 透射的器件，其特徵是所述光柵的金屬材料為低損耗的金屬，例如金、銀或者鋁等；所述光 柵的介質材料為能透射電磁波的磁活性介質，在微波波段，例如微波ferrite材料YIG和微 波鐵氧體等；在太赫茲波段，例如半導體材料InSb和InAs等；在紅外和可見光波段，例如 磁光材料Bi :GdIG和磁性半導體材料CdMnTe等。
3. 根據權利1和2所述的一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁 波透射的器件，其特徵是該器件的透射特性基於光柵狹縫內的波導模式，可調控的入射電 磁波為s-偏振或者p-偏振；該光刪的狹縫寬度滿足兩種偏振電磁波的波導模式同時存在 的條件。
4. 根據權利1和2所述的一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁 波透射的器件，其特徵是該器件實現功能所需施加的外磁場B。的範圍取決於所選取的磁活 性介質，在0特斯拉到1特斯拉的範圍；隨著外加磁場B。的增加，對應於磁活性波導模式的 偏振的透射峰發生藍移或紅移。
5. 根據權利l和2所述的一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁 波透射的器件，其特徵是該器件的外加磁場B。的大小可通過電磁鐵等來調節；該器件可在所有入射角度下運行；該器件可實現對電磁波透射波長的精確微調。
6. 根據權利l和2所述的一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁波透射的器件，其特徵是該器件的適用波長範圍從微波波段到可見光波段；該金屬光柵的 尺寸範圍和具體的結構參數值取決於設計要求的工作波長範圍，對於微波波段和太赫茲波 段，尺寸範圍和結構參數值較大，在毫米和微米的量級；對於紅外和可見光波段，尺寸範圍 和結構參數值較小，在納米的量級。
7. 根據權利要求1所述的基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁波 透射的器件的製備方法，其特徵是對於微波和太赫茲波段的所述的器件，採用金屬刻蝕或 者飛秒雷射微加工等工藝製作出一維周期亞波長金屬光柵，然後採用微調控系統直接在狹 縫內填充磁活性介質棒或者採用脈衝雷射沉積等方法在狹縫內填充磁活性介質。光柵的結 構參數根據設計要求控制。
8. 根據權利要求1所述的基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁波 透射的器件的製備方法，其特徵是對於紅外和可見光波段的所述的器件，先採用磁控濺射 等工藝製作出單層金屬薄膜；然後採用聚焦離子束刻蝕等方法製作出單層光柵；再採用脈 衝激光沉積等方法在金屬光柵狹縫內填充磁活性的介質。光柵的結構參數根據設計要求控 制。
全文摘要
一種基於單層亞波長金屬光柵的磁場可調控的偏振無關電磁波透射的器件，該器件包括單層亞波長金屬光柵和填充在亞波長金屬光柵狹縫內的磁活性介質；該器件的金屬部分和磁活性介質部分具有相同的厚度，該厚度大小滿足最少支持設計工作波長在光柵狹縫內的最低階的Fabry-Perot腔共振的要求；所述光柵的周期和狹縫小於所述電磁波的波長。通過改變外加磁場B0的大小，可以調節金屬光柵狹縫內波導模式的傳播常數等，從而改變該器件的電磁透射特性，實現偏振無關的電磁波透射譜和偏振無關的電磁波透射譜磁場主動可調控的目的。
文檔編號G02B5/18GK101750651SQ20091023462
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月25日 優先權日2009年11月25日
發明者丁劍平, 王慧田, 白強, 程晨, 陳璟 申請人:南京大學