一种主动调控的等离子体诱导透明和手性超表面器件

一种主动调控的等离子体诱导透明和手性超表面器件
(一)技术领域
1.本发明涉及超材料及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种主动调控的等离子体诱导透明和手性超表面器件，可用于光电探测和生物检测等方向，属于微纳光学技术领域。
(二)

背景技术：

2.光学超材料是一种人工构造的材料，由微米或者纳米的单元结构构成，在太赫兹频率或者光学频率上具有非常规的特性。几乎所有的电磁现象和设备都是由波和物质之间的相互作用产生的。在这个意义上，电磁功能的实现意味着通过用任意的材料精心制作结构和几何形状来操纵波。因此光学超材料可以被视为宏观上均匀的介质，并且可以表现出各种不同寻常的光响应。
3.最近对超材料系统中电磁感应透明以及等离子感应透明(pit)的量子现象成为了研究热点。利用金属条、开口环谐振器(srr)和等离子体激元波导实现等离子感应透明效应，人们已经做了大量工作。经典超材料系统中等离子体感应透明现象的主要是由于在窄光谱范围内诱导的强色散，使其在光学传感和慢光应用有潜在的应用价值。
4.手性是超材料的一个重要的研究方向，天然手性材料的手性值很低，因此利用超材料实现强手性是目前很重要的超材料研究方向，通过人工的设计，手性超材料的手性响应可以比天然手性材料高出几个数量级。手性在化学和生物学研究中具有重要意义，因为具有不同空间构型的分子会导致明显不同的电磁响应。手性超材料器件广泛应用于分析化学、生物学和光子晶体学中，比如用以识别分子的空间结构。因此手性超材料器件在光电、生物科学显微技术和显示应用中具有巨大的发展潜力。
5.目前，大部分的光学超材料器件只能实现某个确定的功能，如果有其他的需求就需要进行重新设计和加工，会增加巨大的经济和时间成本。可调超材料器件是最近几年新兴的研究课题，在不改变超材料器件的基础上改变其功能可以极大的提高超材料器件的实用性。本发明通过在偏振不敏感的等离子感应透明器件上填充可调谐材料，利用可调谐材料的可调谐性质，从而改变器件的电磁特性，实现了光学超材料器件功能可调。目前常用的可调谐材料不仅有二氧化钒，例如石墨烯、锑化铟和液晶均可以实现改变器件电磁特性的功能。本发明中，使用二氧化钒主要是其相变温度为68℃，与室温相近能，可操控性强，可以扩大了器件的使用范围，实现更高的探测精度和灵敏度，具有更加广泛的应用前景。
(三)

技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术存在的缺点，本发明的器件发明的主要目的是制造一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件，包括偏振不敏感的等离子感应透明和手性超材料器件的功能主动切换。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.该器件主要由硅基底2、金属开口环3，十字金属棒4，可调谐材料层5组成。在所述系统中，在单元结构中十字金属棒处于中心位置，四个开口环分别处于四个象限中，其中第
一象限的开口环的开口方向为左偏上15
°
，第二象限的开口环的开口方向为下偏左15
°
，第三象限的开口环的开口方向为右偏上15
°
，第四象限的开口环的开口方向为上偏右15
°
。在四个开口环中，第二和第四象限中开口环的开口处填充可调谐材料。
9.结构单元包括基底层和表面二维金属结构2部分，表面金属结构又包括十字结构和4个金属环
10.所述介质衬底的厚度为50-2000μm。
11.十字金属棒的中心和周期结构的中心重合，四个开口环分别位于四个象限的中心位置，十字金属棒和四个圆环的线宽的宽度都是4-10μm。
12.所述四个象限的金属开口环的厚度和十字形结构的厚度相同，均为0.1-10μm。
13.所述第二和第四象限中开口环的开口处填充厚度为0.1-10μm的可调谐材料。
14.一种主动调控的pit和手性超表面器件单元结构二维阵列为方形阵列，若干结构单元沿横向排列的数目和沿纵向排列的数目均至少为500个。
15.下面将详细阐述一种主动调控的pit和手性超表面器件的具体工作原理。由于在开口环的开口处填充的是一种可调谐材料，其材料性质会随着外界环境变化而改变，我们在第二和第四象限中开口环的开口处填充可调谐材料，当处于特点的外界条件(具体取决于可调谐材料的属性)时，可调谐材料处于绝缘态，电导率很低，第二和第四象限中开口环的开口还处于断开状态，因此器件是一种偏振不敏感的pit器件；当处于另外一种特定的环境时，可调谐材料变化为金属态，电导率升高，使得第二象限和第四象限的开口环的开口闭合，该器件因此会产生巨大的镜像不对称性，该器件在高温下转换为具有手性的超表面器件。通过改变外界环境条件来改变器件的特性，在实际操作中具有简单易操作的优势，可以扩大使用范围，有效保证其对器件功能调节的精确性。
16.一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件使用cst mphysics studi进行电磁仿真，计算模型在室温下对于不同偏振方向的线偏振波所产生的电磁响应，以及在高温情况下对于左右圆偏振光所产生的电磁响应，均符合预期目标。
(四)附图说明
17.为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
18.图1是一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件俯视图。
19.图2是一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件单元结构的侧视图。
20.图3是一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件的在低温环境下，对于不同偏振方向入射的线偏振平面波的透射谱。
21.图4是一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件的在个高温环境下，对于不同方向圆偏振光入射的透射谱。
22.图5是一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件的在个高温环境下圆二色性值的仿真结果。
(五)具体实施方式
23.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
24.结合附图举例具体如下：
25.结合图1和图2，本发明实施方式主要是在一块硅基底上通过沉积、光刻等方法形成，其主要由若干个周期分布的单元结构1组成，每个单元结构1包括硅基底层2，金属开口环3，十字金属棒4，可调谐材料填充层5。本发明使用硅作为硅基底2的材料，使用金属铝作为开口环3和十字金属棒4的材料，金属开口环3的开口部分填充可调谐材料4。
26.所述周期结构1在xy平面上呈周期性排列组成整个器件，如图1所示。
27.在一种实施例中使用二氧化钒可调谐材料，通过改变环境温度调控二氧化钒的电导率最终实现主动调控。二氧化钒是一种相变材料，其材料性质会随着温度变化而改变，当环境温度处于室温时，二氧化钒处于绝缘态，电导率很低，器件是一种偏振不敏感的pit器件，当环境温度升高至超过68℃，二氧化钒相变为金属态，通过调节外部温度值影响所述主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件中的二氧化钒的电导率，使其器件的功能发生改变。
28.结合图3，一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件假设外部温度为22℃，二氧化钒电导率为200s/m的情况下，本发明为偏振不敏感的pit器件，分别入射电场为x方向偏振的平面波和电场为y方向偏振的平面波，t
xx
为电场偏振方向为x的线偏振光入射且电场偏振方向为x的线偏振光出射，t
yy
电场偏振方向为y的线偏振光入射且电场偏振方向为y的线偏振光出射，所得到的t
xx
和t
yy
是一致。在频率为0.67thz的时候具有一个电磁感应透明窗口，且分别在0.61thz和0.76thz的时候出现共振谷，从透射谱可以得出该器件这是一个很典型的偏振无关等离子感应透明的超材料器件。
29.结合图4，一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件设定外部温度为80℃，二氧化钒电导率为2.12*105s/m的情况下，本发明为具有手性的超材料器件。图4为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射谱，t
ll
为左旋圆偏振光入射且左旋圆偏振光出射，t
rr
为右旋圆偏振光入射且右旋圆偏振光出射，t
rl
为左旋圆偏振光入射且右旋圆偏振光出射，t
lr
为右旋圆偏振光入射且左旋圆偏振光出射。本器件只有表面一层金属结构，因此透射谱中同极化的透射t
ll
和t
rr
是一致的，手性主要体现在对于左右圆偏光的偏振转换中。如图4所示在0.60-0.72thz的带宽内，t
lr
要明显要比t
rl
高，因此该器件具有手性。
30.结合图5，一种主动调控的等离子感应透明和手性超表面器件在0.60-0.72thz的带宽内，具有很强的圆二色性。从圆二色性的频谱图来看，出现了5个圆二色性值的峰，圆二色性值最高点出现在0.64thz，圆二色性值为0.2。