一种基于方解石晶体实现波长复用的超材料及其应用的制作方法

1.本发明属于电磁调控领域，具体涉及一种基于方解石晶体实现波长复用的超材料及其应用，可以在近红外波段实现波长复用器件应用。


背景技术：

2.超材料，指的是一类具有超常物理性质的人造材料，具备天然材料所不具备的特性，例如负介电常数、负磁导率等等，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的性质并不是由构成它的的本征材料所决定的，其奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。
3.近年来，超材料技术发展迅速，在许多技术领域取得了重大突破，其中一种引起广泛关注的现象是电磁感应透明（eit）效应。eit是一种特殊的电磁效应，其频谱的典型特征表现为在宽吸收光谱内表现出窄而尖锐的透射光谱。在eit的产生过程中，总是伴随着强烈的色散效应，因此其可以应用于实现非线性效应和慢光效应及制备高灵敏度传感器。然而，由于技术条件的限制，当前对于eit的研究主要集中于太赫兹领域，对于近红外领域的研究相对较少。近年来，研究者们设计了一些巧妙的结构来实现电磁效应的复用，然而，这些结构通常较为复杂，并且具有诸多限制。
4.天然碳酸钙矿物又称方解石，是理想的双折射材料，对入射光电磁场具有天然的双重调控能力。当光入射方解石晶体时，除晶轴方向外均要发生双折射分解成两束振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的偏光。由于这种天然的双折射特性，将方解石与超材料相结合将给超材料带来更多意想不到的特性。


技术实现要素：

5.本发明是为了克服现有技术中超材料应用于近红外领域时出现低精细化、结构复杂度高的缺陷，提供了一种基于方解石晶体实现波长复用的超材料及其应用，以克服上述缺陷。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于方解石晶体实现波长复用的超材料，其特征在于，所述超材料分为上下两层，包括底部的基底层以及覆盖在基底层上表面的超表面结构单元，所述超表面结构单元为呈周期间隔排列的纳米圆柱对，所述基底层由具有双折射特性的方解石晶体构成。
7.本发明人将具有双折射特性的方解石材料与超材料相结合，本发明中的超材料可分为上下两层，下层为由方解石晶体构成的基底层，上层为覆盖在基底层上的呈周期间隔排列的纳米圆柱对组成的超表面结构单元。此外，由于方解石晶体的双折射效应，当入射光沿着方解石晶体的晶轴方向入射时，该结构在特定波长处实现电磁感应透明效应。当入射光并非沿着方解石晶体的晶轴方向入射时，入射光发生双折射成为寻常光和非常光，其中寻常光对应的方解石晶体折射率称为寻常光折射率而非常光对应的方解石晶体折射率称为非常光折射率；由此可实现分别在两个不同的波长处实现电磁感应透明效应。基于上述
方解石晶体的双折射特性，超材料可利用微结构之间的耦合效应并结合具有双折射特性的方解石晶体在不同波长处实现电磁感应透明效应从而在近红外波段上达到波长复用的效果。
8.优选地，所述基底层的厚度为150 nm-250 nm。
9.本发明人在测试过程中发现，改变方解石基底层的厚度对光透过率的影响表现为：随着厚度地不断增大，其光透过率将小幅减小。
10.优选地，所述纳米圆柱对的材料为硅。
11.优选地，所述纳米圆柱对包括第一纳米圆柱和第二纳米圆柱，所述第一纳米圆柱半径为170 nm-220 nm，所述第二纳米圆柱半径为100 nm-150 nm。
12.本发明人在测试过程中发现，改变第一纳米圆柱的半径对光透过率的影响表现为：随着半径不断增大，其光透过率将小幅变大；而改变第二纳米圆柱的半径对光透过率的影响表现为：随着半径不断增大，其光透过率基本不变，但品质因素有所下降。
13.优选地，所述第一纳米圆柱与第二纳米圆柱间的距离为150 nm-200 nm。
14.本发明人在测试过程中发现，改变第一纳米圆柱与第二纳米圆柱间的距离对光透过率的影响表现为：随着距离不断增大，其光透过率基本不变，但品质因素有所提高。
15.优选地，所述第一纳米圆柱和第二纳米圆柱的高度相等。
16.优选地，所述第一纳米圆柱和第二纳米圆柱的高度为150 nm-250 nm。
17.本发明人在测试过程中发现，改变第一纳米圆柱和第二纳米圆柱的高度对光透过率的影响表现为：随着高度不断增大，其光透过率将小幅减小。
18.优选地，所述超表面结构单元的周期为1400 nm-1600 nm。
19.超表面结构单元的周期即单个单元结构的宽度。
20.上述对于结构尺寸参数的限定，其意义在于：通过调控基底层厚度、纳米圆柱的高度、第一纳米圆柱半径、第二纳米圆柱半径及超表面结构单元的周期等参数可调控超材料对寻常光和非常光的响应程度。而通过对结构尺寸的合理设计可以实现具有高品质因素的电磁感应透明效应。
21.本发明还涉及上述基于方解石晶体实现波长复用超材料在制备波长复用器件中的应用。
22.在波长复用器件上进行应用时，是通过加工方解石晶体得到不同的非常光折射率，实现所述超材料在不同波长处的电磁感应透明效应从而达到波长复用的效果。具体地，通过对方解石晶体的加工可以使非常光折射率在1.48-1.66间进行选择，而寻常光的折射率固定不变，为1.66。由于结构间的耦合作用，寻常光和非常光能够分别实现高品质因素电磁感应透明效应，从而实现波长复用。而通过加工方解石晶体可以使非常光折射率在一定范围内连续变化，因此非常光的电磁感应透明窗口可以出现在特定波长范围内的任一位置。
23.涉及基于方解石晶体实现波长复用的超材料在制备近红外波段多功能电磁调控器件中的应用。
24.因此，本发明具有以下有益效果：（1）本发明在超材料的基础上，更换其基底层为方解石材料，结构简单，便于制造；其中，利用方解石的双折射特性实现在近红外波段上的波长复用，有助于实现器件的集成
化和微型化；（2）本发明将方解石与超材料相结合，为复用超材料提供了新思路，并且对于近红外波段多功能电磁调控器件的开发具有一定的技术参考价值，具有重要的现实意义；（3）本发明利用微结构间强烈的电磁耦合效应，产生的电磁感应透明效应具有较高的品质因素，能够用于实现更加显著的慢光效应和非线性效应。
附图说明
25.图1为本发明实施例的超表面示意图；图2为本发明实施例的单元结构的示意图；图3为本发明实施例的单元结构的俯视图；图4为本发明实施例的寻常光的透射率曲线谱；图5为本发明实施例在不同非常光折射率下的非常光透射率曲线谱；图6为本发明实施例在不同非常光折射率下的非常光时延谱；图7为本发明实施例中非常光折射率在两个端值下改变纳米圆柱对高度的透射率曲线谱；图8为本发明实施例中非常光折射率在两个端值下改变周期的透射率曲线谱；图9为本发明实施例中非常光折射率在两个端值下改变第二纳米圆柱半径的透射率曲线谱。
26.图中，各标记代表的含义如下：1、基底层；2、纳米圆柱对；21、第一纳米圆柱；22、第二纳米圆柱；h、第一纳米圆柱及第二纳米圆柱的高度；h1、基底层的厚度；r1、第一纳米圆柱的半径；r2、第二纳米圆柱的半径；d、第一纳米圆柱和第二纳米圆柱之间的间距；p、超表面结构单元的周期。
具体实施方式
27.为了更具体地说明本发明实施例中的技术方案，下面将参照附图对本发明作进一步说明。显然地，下面所描述的附图及相应的技术方案仅代表本发明实施例。对于本领域内的其他技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图结合相应的说明得到其他的附图及结果。
28.下面以具体实施例结合相应附图的方式对本发明作进一步说明：本发明提供一种基于方解石晶体实现波长复用超材料的应用，利用以方解石晶体作为基底层1的超材料，其微结构之间的耦合效应及方解石本身所具有的双折射特性，在不同波长处实现电磁感应透明效应从而达到波长复用的效果。用于实现该方法的超材料分为上下两层，下层的基底层1由具有双折射特性的方解石晶体构成；上层的超表面结构单元覆盖在基底层1上，其中超表面结构单元由周期间隔排列的纳米圆柱对2组成，纳米圆柱对2由半径大小不一的第一纳米圆柱21和第二纳米圆柱22组成。通过优化纳米圆柱的高度h、第二纳米圆柱21的半径r2、超表面结构单元的周期p等参数，可以在一定范围内同时实现对寻常光和非常光的电磁感应透明窗口的调控。通过加工方解石晶体得到不同的非常光折射率，实现所述超材料在不同波长处的电磁感应透明效应从而达到波长复用的效果。由于非常光折射率可以在一定范围内连续变化，因此非常光的电磁感应透明窗口可以出现在特定波长
范围内的任一位置。这种技术方案将提高器件的集成度，为光电集成器件的发展提供新思路。
29.本发明实施例通过电磁仿真软件cst进行模拟并进行了相应的优化，选取入射光的偏振方向为y方向，沿z轴的负方向入射。
30.本发明实施例通过仿真优化得到的一种理想可行的实施方案为：r1=192 nm，r2=130nm，h=205 nm，h1=195 nm，d=170 nm，p=1500 nm。纳米圆柱对的材料为介电常数14的硅，基底层材料为方解石晶体，其中寻常光折射率εo固定为1.66（对应的相对介电常数取2.75），非常光折射率εe可以根据对方解石晶体的加工取1.48-1.66间的任一值（对应的相对介电常数取2.19-2.75）。
31.基于上述条件，固定介电常数为2.75，入射光沿着晶轴方向入射时，测得其在1440nm-1500 nm处寻常光折射率曲线谱如图4所示。由图4可知，在中心波长1471 nm附近出现了明显而尖锐的eit窗口，引入品质因素(q-factor)来进一步描述eit窗的性质，所用品质因素可由下式得到：其中λ0是eit窗的中心波长，fwhm为半波宽。
32.这样，y偏振光激发下的eit窗口的fwhm和q值分别为0.9 nm和1634。
33.保持其他条件不变，加工方解石晶体使入射光和晶轴呈不同的角度，从而更改介电常数分别为2.19、2.33、2.47、2.61、2.75，测得其对应的非常光透射率曲线如图5所示。由图5可知，不同的介电常数下，eit效应均可被明显观察到。当介电常数在2.19-2.75范围内时，随着介电常数不断增大，其所对应的透射光谱发生红移，eit窗均具有较高的品质因素，而其所对应的中心波长发生了变化。
34.图4的结果表明，当入射光沿着方解石晶体的晶轴方向入射激发本发明实施例时，仅在一个波长处激发了eit窗口。由此可说明，当入射光沿着方解石晶体的晶轴方向入射时，该结构在特定波长处实现电磁感应透明效应。
35.而当入射光并非沿着方解石晶体晶轴方向入射时，寻常光仍存在，与图4结果相同；此外，此时还会出现一个由非常光激发的eit窗口。因此可说明，方解石晶体在入射光沿着非晶轴方向的时候，发生了双折射，入射光分为了寻常光和非常光，两束光在两个波长处均可实现电磁感应透明效应，从而可实现电磁感应透明效应在波长上的复用。并且由于非常光折射率εe可以在一定范围内连续变化，非常光的电磁感应透明窗口可以出现在1434 nm-1474 nm范围内的任一位置。
36.保持其他条件不变，更改介电常数分别为2.19、2.33、2.47、2.61、2.75，测得其对应的非常光时延谱如图6所示，其群时延取值主要分布在2 ps-3.5 ps，具有显著的时延效果；可根据实际需求设计超表面，在特定波长处实现慢光效应。
37.进一步地，为探讨结构尺寸参数对本发明实施例中寻常光和非常光响应的影响，选取非常光折射率εe的两个端值（εe=2.19及εe=2.75=εo）分别进行讨论。
38.图7为本发明实施例中非常光折射率εe在两个端值情况下，改变纳米圆柱对高度h所测得的透射率曲线谱。结果表明，非常光折射率εe在两个端值下，对h改变的响应一致。随着h增大，透射率曲线谱整体红移，同时透过率小幅减小。值得注意地是，改变h1其结果趋势
一致；与之相反地是，随着r1的增大，其光透过率小幅增大。
39.图8为本发明实施例中非常光折射率εe在两个端值情况下，改变周期p所测得的透射率曲线谱。结果表明，非常光折射率εe在两个端值下，对p变化的响应一致。随着p的增大，透射率曲线谱整体红移，但仍保持高品质的eit窗口。
40.图9为本发明实施例中非常光折射率εe在两个端值情况下，改变第二纳米圆柱半径r2的透射率曲线谱。结果表明，非常光折射率εe在两个端值下，对r2变化的响应一致。当r2变大时，eit窗口变宽，品质因素下降，而谱线仅发生微小红移。与之相反地是，随着d的不断增大，其对应的品质因素有所上升。
41.上述参数在一定范围内变化时高品质的电磁感应透明窗仍能得以保持，同时其对寻常光和非常光响应的影响是一致的，这将大大增强器件的应用能力，减小器件的开发难度，因此本发明具有重要现实意义。
42.综上所述，本发明可以通过对结构的巧妙设计在近红外波段实现电磁感应透明效应。同时，由于方解石晶体的双折射效应，寻常光和非常光可以在两个不同的波长处实现电磁感应透明效应，并且由于非常光折射率是连续变化的，因此非常光的电磁感应透明窗口可以在一定波长范围内连续调整，这使得器件的两个工作波长存在灵活调整空间，这样的设计能够提高器件的集成度，实现器件的微型化。本发明在慢光效应及非线性效应等领域有着巨大的应用潜力。
43.上述实施例仅用于补充说明，而不是对本发明进行限制。在本发明权利要求的保护范围内对本发明所做出的任何修改，都将落入本发明的保护范围。