一种实现电磁诱导透明现象的纳米光学结构

1.本发明涉及微纳光子学领域，尤其是一种实现电磁诱导透明现象的纳米光学结构。


背景技术：

2.电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency, eit)是三能级原子系统中由于激发路径与原子上能级之间的干扰而产生的一种电磁现象。eit图像具有明显的窄窗，这在非线性光学处理，超快开关以及慢光器件等方面有着巨大的应用价值。近些年，研究人员在一些经典的结构中发现了类似原子系统的eit现象，称之为类电磁诱导透明，即eit-like。比较常见的实现eit-like的系统有金属-介质-金属波导，金属聚合物，光子晶体以及超材料等。其中，基于亚波长单元结构的人工电磁超材料具有优异的电磁特性，如负折射率、超分辨率以及极化转化等，使得超材料研究成为近年量子通信、纳米光学等领域的前沿研究方向。
3.近年来，研究人员利用超材料来实现eit现象以便研究其慢光效应等特性。一般而言，由于结构的对称性破缺，光波不同模式之间的相互耦合作用，就会产生eit现象。然而，在之前的诸多基于超材料的研究中要实现eit现象都是需要打破其结构的对称性的，这无疑给刻蚀加工带来了困难。如何在保持单元胞结构对称(即关于x和y轴对称)的前提下，实现eit现象是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的发明目的在于提供一种实现电磁诱导透明现象的纳米光学结构，可以在单元胞结构对称的前提下，实现电磁诱导透明现象。
5.实现本发明目的的技术方案：一种实现电磁诱导透明现象的纳米光学结构，包括表面等离激元效应层和导模谐振层，表面等离激元效应层位于导模谐振层上方。
6.进一步地，表面等离激元效应层和导模谐振层之间设有介质衬底层。
7.进一步地，表面等离激元效应层由金属材料制成，导模谐振层由高折射率材料制成。
8.进一步地，表面等离激元效应层设有十字形镂空谐振腔、圆形镂空谐振腔或方形镂空谐振腔。
9.进一步地，表面等离激元效应层采用金属银或金制成，导模谐振层由硅制成，介质衬底层由二氧化硅制成。
10.进一步地，介质衬底层折射率n=1.45。
11.进一步地，硅的取值为[波长，折射率实部，折射率虚部]=[ 688 708 729 751 774 799 826,3.788 3.7644 3.7419 3.7204 3.6999 3.6801 3.6611，0.0112 0.00992 0.00865 0.00745 0.0063 0.00522 0.00421]，其中波长的单位为nm。
[0012]
进一步地，纳米光学结构是由多个单元胞结构组成的周期性结构，x方向和y方向是周期性，z方向为单一性，每个单元胞结构z向由上至下由表面等离激元效应层、介质衬底层、导模谐振层组成。
[0013]
进一步地，单元胞结构关于x轴和y轴对称设置。
[0014]
进一步地，入射光为线偏光 z方向正入射，线偏光波长范围为700 nm ~ 800 nm。
[0015]
本发明具有的有益效果：本发明包括表面等离激元效应层和导模谐振层，表面等离激元效应层位于导模谐振层上方。与现有技术相比，本发明将表面等离激元效应和高折射率材料的导模谐振特性结合起来实现eit-like现象，提出了一种实现电磁诱导透明现象的新结构，同时保持了单元胞结构的x和y方向的对称性。
[0016]
本发明表面等离激元效应层和导模谐振层之间设有介质衬底层；表面等离激元效应层由金属材料制成，导模谐振层由高折射率材料制成；表面等离激元效应层设有十字形镂空谐振腔、圆形镂空谐振腔或方形镂空谐振腔。本发明通过上述具体结构进一步保证电磁诱导透明现象的显著效果。本发明结构体系相对简单，通过结构参数优化可使得系统反射谱产生明显的eit窗口。当只有金属十字狭缝谐振腔时，系统的反射谱表现为典型的洛伦兹线型；当添加介质衬底和高折射率材料后，原来的洛伦兹谷的位置附近出现一个明显的透明窗口，也即是典型的eit谱线。除此之外，改变介质衬底的折射率可使透明窗口线性变化。本发明在保持微结构对称的前提下实现了eit-like，技术方案简单，可操作性强，极大的拓展了表面等离激元超材料的应用范围。
[0017]
本发明介质衬底层折射率n=1.45；硅的取值为[波长，折射率实部，折射率虚部]=[ 688 708 729 751 774 799 826,3.788 3.7644 3.7419 3.7204 3.6999 3.6801 3.6611，0.0112 0.00992 0.00865 0.00745 0.0063 0.00522 0.00421]，其中波长的单位为nm； 入射光为线偏光 z方向正入射，线偏光波长范围为700 nm ~ 800 nm。本发明通过上述参数的选取，进一步保证电磁诱导透明现象的显著效果。
附图说明
[0018]
图1为本发明的单元胞结构示意图；图2为本发明中结构参数优化后的有无衬底和硅的反射谱；图3为λ=754 nm波长光入射时的归一化电场和磁场模值分布图；图4为不同折射率的衬底对应的反射谱。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0020]
本发明纳米光学结构是由多个单元胞结构组成的周期性结构，x方向和y方向是周期性，z方向为单一性。
[0021]
如图1所示，单元胞结构z向由上至下由表面等离激元效应层1（厚度t1）、介质衬底层2(厚度t2)、导模谐振层3(厚度t3)组成。表面等离激元效应层1设有十字形镂空谐振腔、
圆形镂空谐振腔或方形镂空谐振腔，本实施例中，采用十字形镂空谐振腔4。单元胞结构关于x轴和y轴对称设置, 十字形镂空谐振腔4关于x和y轴对称，长度l，宽度w。
[0022]
表面等离激元效应层1采用金属银或金制成，本实施例中，采用银制成, 其色散关系用drude模型表示：(ε
∞
, ω
p
, γ)=(3.7, 9.1 ev, 0.018 ev)，其中，ε
∞
为无穷介电常数，ω
p
为等离子振荡频率，γ为碰撞频率。
[0023]
导模谐振层2由高折射率材料制成，本实施例中，导模谐振层由硅制成。硅的取值为[波长，折射率实部，折射率虚部]=[ 688 708 729 751 774 799 826,3.788 3.7644 3.7419 3.7204 3.6999 3.6801 3.6611，0.0112 0.00992 0.00865 0.00745 0.0063 0.00522 0.00421]，其中波长的单位为nm。介质衬底层3由二氧化硅制成，介质衬底层折射率n=1.45。
[0024]
入射光为线偏光 z方向正入射，线偏光波长范围为700 nm ~ 800 nm。以光波的初始态为|0》态，经十字形镂空谐振腔4，激发其表面等离激元效应后为|1》态；之后到导模谐振层2，激发其导模谐振为|2》态。则光波经历以下两个过程，即|0》
→
|1》和|0》
→
|1》
→
|2》
→
|1》。两列光波的相互耦合将会在系统的反射谱中产生eit现象。
[0025]
仿真得到的有无衬底和硅的反射谱如图2所示。灰色实线表示没有衬底和硅，即只有十字形镂空谐振腔时的反射谱，为典型的洛伦兹线型；黑色实线表示添加衬底和硅之后的反射谱，为典型的eit线型。从中可以看出，在λ=754 nm时，在原来的反射谷的附件位置出现了透明窗口。此时结构参数分别为：周期px=py=680 nm，w=50 nm，l=460 nm，t1=t2=t3=215 nm。图3给出了波长为λ=754 nm波长光入射时的归一化电场和磁场模值分布图。从中可以看出，电场能量主要集中在金属狭缝谐振腔中，而磁场能量主要集中在导模谐振层(硅层)中。图4给出了不同折射率衬底时的反射谱的变化规律。从中可以看出，电磁诱导透明窗口随着折射率的增加而线性红移，这为实现特定波段的电磁诱导透明提供了参考。
[0026]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
[0027]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。