一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件
技术领域
1.本实用新型涉及金属微纳光学器件技术领域，尤其涉及一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件。
背景技术：2.表面等离激元(spps)是沿着金属和电介质界面传播的倏逝波，在克服衍射极限方面有着潜在的应用。作为光子和电子的“结合体”，其能够将光场限制在亚波长尺寸范围内，从而调控纳米尺度范围内光与物质的相互作用，被广泛应用于传感、纳米激光、探测等领域。但是在近红外及可见光波段，由于金属的电阻损耗会导致半峰宽的严重展宽，光学品质因数下降，进而严重限制金属微纳光学器件的应用性能。为降低电阻损耗的影响，使用弱场增强但损耗更低的介质材料进行结构设计是解决器件光学品质因数低的一种有效方法。
3.目前研究人员在近红外及可见光波段设计开发微纳光学器件时虽然使用了更多的介质材料，还是很难同时实现多波长共振与高品质因数共振。但在实际应用中，多波长的高品质因数共振具有更广泛的应用。因此，设计一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件是很有必要的。
技术实现要素：4.本实用新型的目的在于提供一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，旨在解决现有技术中金属微纳光学器件无法同时实现高品质因数共振与多波长共振的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，包括低折射率介质层衬底、三个高-低折射率混合介质膜堆结构和周期性金属微纳结构，三个所述高-低折射率混合介质膜堆结构依次堆叠在所述低折射率介质层衬底的顶部，所述金属微纳结构设置于位于最高处的所述高-低折射率混合介质膜堆结构的顶部。
6.每个所述高-低折射率混合介质膜堆结构包括低折射率介质层和高折射率介质层，所述高折射率介质层设置于所述低折射率介质层的顶部。
7.其中，所述周期性金属微纳结构的材料为贵金属。
8.其中，所述低折射率介质层衬底的折射率大于1，所述低折射率介质层的折射率与所述低折射率介质层衬底的折射率相同，所述高折射率介质层的折射率高于所述低折射率介质层的折射率0.2及以上。
9.其中，所述低折射率介质层的高为400～600nm，所述高折射率介质层的高为200～300nm。
10.其中，所述周期性金属微纳结构的横向长度为100～200nm，横向占空比为0.1～0.2，横向周期为800～1000nm，纵向长度为200～400nm，纵向占空比为0.2～0.3，纵向周期为900～1200nm，高为200～400nm。
11.本实用新型的有益效果：所述高折射率介质层和所述低折射率介质层构成所述高-低折射率混合介质膜堆结构，所述周期性金属微纳结构与所述高-低折射率混合介质膜
堆结构形成了表面等离激元多阶杂化波导模式，抑制光的透射；同时所述高-低折射率混合介质膜堆结构中形成了多阶腔模式，增强光的透射。通过调谐多阶杂化波导模式与多阶腔模式之间的作用，从而获得多个光学品质因数极高的谐振峰。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本实用新型提供的一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件的结构示意图。
14.图2是具体实施例一提供的一种高q三维金属微纳光学器件的结构示意图。
15.图3是具体实施例一提供的仿真数据图。
16.图4是具体实施例二提供的一种高q三维金属微纳光学器件的结构示意图。
17.图5是具体实施例二提供的仿真数据图。
18.1-低折射率介质层衬底、2-高-低折射率混合介质膜堆结构、3-周期性金属微纳结构、21-低折射率介质层、22-高折射率介质层。
具体实施方式
19.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
20.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
21.请参阅图1，本实用新型提供一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，包括低折射率介质层衬底1、三个高-低折射率混合介质膜堆结构2和周期性金属微纳结构3，三个所述高-低折射率混合介质膜堆结构2依次堆叠在所述低折射率介质层衬底1的顶部，所述金属微纳结构设置于位于最高处的所述高-低折射率混合介质膜堆结构2的顶部。
22.每个所述高-低折射率混合介质膜堆结构2包括低折射率介质层21和高折射率介质层22，所述高折射率介质层22设置于所述低折射率介质层21的顶部。
23.进一步地，所述周期性金属微纳结构3的材料为贵金属。
24.进一步地，所述低折射率介质层衬底1的折射率大于1，所述低折射率介质层21的折射率与所述低折射率介质层衬底1的折射率相同，所述高折射率介质层22的折射率高于所述低折射率介质层21的折射率0.2及以上。
25.进一步地，所述低折射率介质层21的高为400～600nm，所述高折射率介质层22的高为200～300nm。
26.进一步地，所述周期性金属微纳结构3的横向长度为100～200nm，横向占空比为0.1～0.2，横向周期为800～1000nm，纵向长度为200～400nm，纵向占空比为0.2～0.3，纵向周期为900～1200nm，高为200～400nm。
27.具体实施例一：
28.当所述高-低折射率混合介质层2的层数为3时。
29.请参阅图2，所述低折射率介质层衬底1的折射率n
l
＝1.5，所述高-低折射率混合介质层2中的所述低折射率介质层3的折射率与所述低折射率介质层衬底1的折射率相同为n
l
＝1.5，层高为500nm；所述高折射率介质层4的折射率nh＝2.1，层高为250nm。所述周期性金属微纳结构5的材料为金，其结构横向长度a为150nm，横向占空比为0.167，横向周期为900nm；纵向长度为300nm，纵向占空比为0.3，纵向周期为1000nm；高度为300nm。入射光垂直于所述周期性金属微纳结构5表面入射，沿x方向偏振，并沿z轴传播。x、y方向采用周期性边界条件；z方向采用完美匹配层(pml)作为边界条件。
30.请参阅图3，通过采用时域有限差分法(fdtd)模拟所述基于多波长高品质因数共振的金属微纳光学器件的最小单元结构，并设置相应的边界条件进行仿真，测得相应的仿真结果：形成了6个具有高品质因数的谐振，分别位于1333nm、1403nm、1457nm、1597nm、1659nm、1721nm，其品质因数分别为135、935、3645、470、976、3741，皆为高品质因数的谐振峰。
31.具体实施例二：
32.当所述高-低折射率混合介质层2的层数为2时。
33.请参阅图4，所述低折射率介质层衬底1的折射率n
l
＝1.5，所述高-低折射率混合介质层2中的所述低折射率介质层21的折射率与所述低折射率介质层衬底1的折射率相同为n
l
＝1.5，层高为500nm；所述高折射率介质层22的折射率nh＝2.1，层高为250nm。所述周期性金属微纳结构3的材料为金，其结构横向长度a为150nm，横向占空比为0.167，横向周期为900nm；纵向长度为300nm，纵向占空比为0.3，纵向周期为1000nm；高度为300nm。入射光垂直于所述周期性金属微纳结构3表面入射，沿x方向偏振，并沿z轴传播。x、y方向采用周期性边界条件；z方向采用完美匹配层(pml)作为边界条件。
34.请参阅图5，通过采用时域有限差分法(fdtd)模拟所述基于多波长高品质因数共振的金属微纳光学器件的最小单元结构，并设置相应的边界条件进行仿真，测得相应的仿真结果：形成了4个具有高品质因数的谐振，分别位于1342nm、1436nm、1609nm、1700nm，其品质因数分别为115、1197、488、1546，皆为高品质因数的谐振峰。
35.所述高折射率介质层22和所述低折射率介质层21构成所述高-低折射率混合介质膜堆结构2，所述周期性金属微纳结构3与所述高-低折射率混合介质膜堆结构2形成了表面等离激元多阶杂化波导模式，抑制光的透射；同时所述高-低折射率混合介质膜堆结构中形成了多阶腔模式，增强光的透射。通过优化所述周期性金属微纳结构3的结构参数(例如：周期性微纳结构的横向长度a、纵向长度b、横向周期px、纵向周期py、高度t等)以及所述高-低折射率混合介质膜堆结构2的结构参数(例如：层高t
l
、th、折射率n
l
、nh等)来调谐多阶杂化波导模式与多阶腔模式之间的相互作用，从而获得品质因子极高的多波长谐振峰。
36.以上所揭露的仅为本实用新型的两种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。
技术特征：1.一种基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，其特征在于，包括低折射率介质层衬底、三个高-低折射率混合介质膜堆结构和周期性金属微纳结构，三个所述高-低折射率混合介质膜堆结构依次堆叠在所述低折射率介质层衬底的顶部，所述金属微纳结构设置于位于最高处的所述高-低折射率混合介质膜堆结构的顶部，每个所述高-低折射率混合介质膜堆结构包括低折射率介质层和高折射率介质层，所述高折射率介质层设置于所述低折射率介质层的顶部。2.如权利要求1所述的基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，其特征在于，所述周期性金属微纳结构的材料为贵金属。3.如权利要求2所述的基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，其特征在于，所述低折射率介质层衬底的折射率大于1，所述低折射率介质层的折射率与所述低折射率介质层衬底的折射率相同，所述高折射率介质层的折射率高于所述低折射率介质层的折射率0.2及以上。4.如权利要求3所述的基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，其特征在于，所述低折射率介质层的高为400～600nm，所述高折射率介质层的高为200～300nm。5.如权利要求4所述的基于膜堆结构的高q三维金属微纳光学器件，其特征在于，所述周期性金属微纳结构的横向长度为100～200nm，横向占空比为0.1～0.2，横向周期为800～1000nm，纵向长度为200～400nm，纵向占空比为0.2～0.3，纵向周期为900～1200nm，高为200～400nm。
技术总结本实用新型公开了一种基于膜堆结构的高Q三维金属微纳光学器件，包括低折射率介质层衬底、三个高-低折射率混合介质膜堆结构和周期性金属微纳结构，其中每一个高-低折射率混合介质膜堆结构都由一层高折射率介质层和一层低折射率介质层构成。周期性金属微纳结构与高-低折射率混合介质膜堆结构形成了表面等离激元多阶杂化波导模式，抑制光的透射；同时高-低折射率混合介质膜堆结构的形成了多阶腔模式，增强光的透射。通过调谐多阶杂化波导模式与多阶腔模式，从而获得多个光学品质因数极高的谐振峰。所提出的金属微纳光学器件在滤波、传感和检测方面具有广阔的应用前景。传感和检测方面具有广阔的应用前景。传感和检测方面具有广阔的应用前景。
技术研发人员：郭玲 郭梦冉 银珊 陈寿宏 马峻
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2022.01.13
技术公布日：2022/7/5
