[发明专利]一种可以产生法诺共振增强和频率可调谐现象的多层对称超材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以产生法诺共振增强和可调谐现象的多层对称超材料，可应用于慢光、传感、非线性及光开关等领域。

背景技术

法诺共振是共振现象的一种，具有非对称谱线形状，可以显著提高表面等离激元功能器件的性能。近年来人工电磁超材料在国际电磁科学领域引起了广泛的关注，其中基于人工电磁超材料的法诺谐振，更是成为该领域的一个新的热点，有如文献1：“B.Luk'yanchuk et al,NATURE MATERIAL,2010(9):707”报道的在表面等离激元纳米结构超材料中发现了法诺谐振现象。2007年，文献2：“V.A.Fedotove et al,PHYSICAL REVIEW LETTER,2007(99):147701”首次在非对称谐振环阵列中发现法诺谐振。文献3：“S.Zhang et al,PHYSICAL REVIEW LETTER,2008(101):047401”利用辐射模和约束模之间的相互作用在表面等离子体超材料中实现了法诺共振。文献4：“Z.Dong et al,OPTICS EXPRESS,2010(18):22412.”研究了暗模激发与法诺共振现象之间的关系.文献5：“Z.Yang et al,APPLIED PHYSICS LETTER,2010(96):131113”通过金属长度对法诺共振强度进行调谐

上述工作都是通过具有非对称结构的单层平面超材料产生法诺共振，因此在短波长区域会出现磁响应饱和，同时结构复杂，制备工艺困难。相比之下，多层对称超材料的表面等离激元模式，能够更有效的突破传统的衍射极限，具有较长的传输距离、较小的损耗、较短的工作波段和简单的加工工艺，因此具有更广阔的实际应用前景。而关于多层对称超材料对法诺共振的影响却鲜有研究，从而限制了法诺共振的进一步应用。此外，法诺共振的频率可调谐性也备受关注，如何通过多层对称超材料实现法诺共振的频率调谐也是目前亟待解决的技术问题。

因此，本发明提供一种可以产生法诺共振增强和频率可调谐现象的多层对称超材料。通过在多层对称超材料的谐振单元阵列中采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等），使多层对称超材料电偶极子共振得到增强，并与多层对称超材料本身所具有的强磁偶极子共振互相作用，使其透射谱中法诺共振现象得到增强，得到陡峭的非对称谐振峰，从而解决了谐振波长的偏移和间隔必须远大于谐振腔带宽的技术问题，提高了多层对称超材料的波长分辨率及其对生物样本折射率变化进行探测的灵敏度。该结构法诺共振品质因数随谐振单元的水平方向周期长度L_x或垂直方向周期长度L_y的增加而增加。同时，其法诺共振频率随谐振单元的水平方向周期长度或垂直方向周期长度的增加而增加（蓝移），因此可以实现法诺共振的频率调谐。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种可以产生法诺共振增强和频率可调谐现象的多层对称超材料，该器件的法诺共振具有品质因数高、可调谐性强、工作频率范围大、结构简单等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

一种可以产生法诺共振增强的多层对称超材料，其特征在于，该多层对称超材料由衬底层、下金属层、介质材料层、上金属层、氧化层组成；谐振单元的孔径在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。所述的谐振单元阵列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等），水平方向周期长度L_x在40纳米至8微米；垂直方向周期长度L_y在40纳米至8微米。所述多层结构的法诺共振波长覆盖红外到远红外波段。

谐振单元形状可以是三角形孔、方形孔、圆形孔、椭圆形孔、矩形孔、十字形孔、六边形孔；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。