[发明专利]一种基于表面等离激元格点共振的光学器件

说明书

一种基于表面等离激元格点共振的光学器件包括基底介质板以及沉积于所述基底介质板上的纳米结构单元阵列，所述纳米结构单元由从下往上依次设置的且截面形状相同的底层金属柱、中层介质柱和顶层金属柱紧贴叠加构成，所述底层金属柱和所述顶层金属柱的材料相同，所述纳米结构单元以周期性排布均匀分布在所述基底介质板上。上述光学器件在不对称(非均匀)的介质环境下性能优越，结构简单、制备成本低、易于集成化和小型化，在纳米量级的尺寸非常适合大规模生产，能够用来制作纳米激光器、窄线宽滤波器、纳米尺寸非线性器件和生化传感器等光学器件，在光子回路、光通信、生物医学及环境监测等诸多领域拥有巨大的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于纳米光学及集成光学技术领域，具体涉及一种基于表面等离激元格点共振的，并且能够在激光器、滤波器、传感器和非线性器件等众多领域进行应用的光学器件。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon，SP)是金属表面自由电子与光波相互作用形成的一种独特电磁波，其具有突破光学衍射极限、亚波长传播和近场增强等奇特的光学性质，并可以实现在纳米尺度下的光子操控与处理，因而受到人们的广泛关注。近年来，单个金属纳米结构支持的局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonances，LSPRs)由于在深亚波长体积中具有局部电磁场增强特性，因而已被广泛地用于光谱学和传感等技术领域。然而，LSPRs也存在品质因数不高(Q10)以及局域场增强有限等问题，这促使科研人员随后发现了辐射损失更低、品质因数更高、局域场更强的表面等离激元格点共振(Plasmonic Surface Lattice Resonances，SLRs)。SLRs通过将金属纳米结构进行阵列排列而实现，因为具有更加窄的线宽和增强系数更高的局域场等光学特性，因此在非线性光学、纳米激光、高灵敏度传感、光调制器等诸多领域中有着十分诱人的应用前景。随之而来的，在高质量窄线宽SLRs的激发条件研究方面，尤其是研究介电环境影响的课题，一直受到特别的关注。

根据金属纳米结构的几何尺寸以及入射光角度和偏振方向带来的影响，SLRs可以被分为面内共振和面外共振两种模式。在此，面内共振和面外共振分别表示SLRs的主要电场分量方向是沿着阵列所在的平面还是垂直于阵列平面。目前在现有技术中，在空间光直入射且纳米结构阵列较矮的情况下，激励SLRs要求对称(均匀)的介质环境，否则，在不对称介质环境下，SLRs的品质因数迅速降低。即便对于金属纳米结构阵列较高的情况，面内SLRs共振虽然可以在不对称(非均匀)环境下也能观察到，但是其品质因数非常低；面外SLRs共振则要求介质环境必须高度对称(均匀)。

也就是说，在现有的金属纳米结构阵列器件中，无论是面内SLRs还是面外SLRs，都偏好对称(均匀)的介质环境，即要求介质环境是对称(均匀)的才能获得高性能的光学特性，否则在不对称(非均匀)环境下就会导致如线宽较宽、等离子体激元寿命短、能量耗尽快、光场增强因子小等问题。对称(均匀)的介质环境意味着金属纳米结构阵列的两边介质环境具有相等的折射率。然而，在实际应用中，匹配两边介质环境使其折射率相等是一件十分困难的事情，特别是在器件普遍使用例如玻璃或硅基衬底的情况下，这就使得无法使用水、溶液或者空气直接作为金属纳米结构的另一侧介质，而是需要给器件额外寻找与衬底折射率相等或相近的材料来制作另一侧的介质环境。显然，这一苛刻要求不仅极大限制了器件应用的领域，而且还大大增加了器件的制作成本，在使用上也带来了诸多的不便。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提出了一种新型的基于表面等离激元格点共振的光学器件，与现有的SLRs器件最大的不同在于，使用了金属柱-介质柱-金属柱(Metal–Insulator-Metal，MIM)纳米结构在基底介质板上以阵列的方式进行排列，从而使器件偏好不对称(非均匀)的环境，即在不对称(非均匀)的环境下器的件性能(线宽、场增强系数)更为优异。