一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件

本发明涉及声光调控，尤其是一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件。

背景技术：

1、当光波和声波同时居于在同一材料内时，他们可以互相进行耦合并通过由声波引发的非弹性光散射进行能量的交换。这种能量的转移过程是双向的，能量可以从声波转移到光波，也可以从光波转移到声波。这种声光相互作用可以在诸多领域进行应用，比如各种声光调制设备、传感器等，也可以产生非线性效应，比如布里渊散射。

2、目前，主要是通过诸如光机晶体、回音廊模式微腔和薄膜共振器等微结构实现对声光相互作用的有效调控。

3、强声光相互作用要求在结构内对光场和声场均形成良好的局域，并且需要光场和声场实现大规模的空间重叠。

4、在现有技术中，虽然可以通过复杂的结构设计来实现，但是仍然存在一些问题，目前实现声光相互作用的器件很难实现兆赫兹以上的声光相互作用，并且，现有器件实现声光相互作用的有源区域较小，很难进一步提高声光相互作用强度。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，本发明超构表面器件实现增强光波与声波相互作用，具有品质因数高、偏振敏感、声光相互作用强度高的特点。

2、本发明的技术方案为：一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，包括基片，还包括设置在基片上的锗锑硫-电子胶异质层；所述的锗锑硫-电子胶异质层包括锗锑硫薄膜、以及锗锑硫薄膜上异质集成的电子胶纳米线超构表面，通过采用光线正入射至超构表面器件，使光线被超构表面器件调制，获取经过超构表面器件调制的反射光线，获得包含被声波散射信号的光波。

3、作为优选的，所述的锗锑硫-电子胶异质层相对于基片为未悬浮状态。

4、作为优选的，所述的电子胶纳米线超构表面包括多个呈周期性排列的微纳结构重复单元。

5、作为优选的，所述的微纳结构重复单元呈纳米线状。

6、作为优选的，所述的微纳结构重复单元厚度为100nm、周期为755nm、宽度为550nm。

7、作为优选的，所述的基片为硅衬底，所述的硅衬底上还涂覆有一层二氧化硅层，所述的二氧化硅层上设置有锗锑硫薄膜，所述的锗锑硫薄膜上设置有电子胶纳米线超构表面。

8、作为优选的，所述锗锑硫层厚度为450nm，所述的二氧化硅层的厚度为2μm。

9、作为优选的，所述的超构表面器件在x方向和y方向呈镜面对称。

10、作为优选的，所述的超构表面器件在连续谱束缚态光学模式实现高强度声光相互作用通过声光耦合率g0衡量，所述的声光耦合率g0是由移动边界效应(mb)和光弹性效应(pe)两部分组成；所述的声光耦合率g0按照如下公式进行计算：

11、

12、式中，meff＝∫ρ|um|2/max|um|2dv，meff代表声学模式的等效质量，xzpf代表有效质量为meff的声学模式零点运动的振幅，ωp是相应光学模式的频率；fmb表示移动边界效应的被积函数，fpe表示光弹性效应的被积函数，∫fmbda表示移动边界效应被积函数在边界处(电介质/空气界面)的面积分，∫fpedv表示光弹性效应被积函数在介质中的体积分，表示普朗克常量，ω表示机械模式频率，ρ表示介质密度，um表示位移矢量的最大值。

13、作为优选的，本发明还提供一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件的信号检测的方法，包括以下步骤：

14、s1)、使用可调谐激光器产生连续谱束缚态波长的激光信号；

15、s2)、使用一个马赫曾德电光强度调制器，使入射平面波搭载弱边带信号；

16、s3)、使用掺铒光纤放大器，用于产生足够功率的入射光信号；

17、s4)、使用一个线性偏振片和光衰减片，其中线性偏振片用来控制检测光偏振状态，光衰减片用来控制检测光功率；

18、s5)、使用一个光学物镜将特定偏振状态入射光聚焦在所述的超构表面器件表面上，并接收被超构表面器件表面反射的光信号；

19、s6)、使用超快光接收器和矢量网络分析仪收集分析从所述的超构表面器件产生的光信号。

20、由于超构表面器件可以在2-10ghz多个频率点处实现高强度的声光相互作用，因此经过步骤s2)产生的弱边带检测光信号经过超构表面器件作用后，会放大相应频率的边带信号，这种放大效应会被s6)中的矢量网络分析仪检测识别。

21、本发明的有益效果为：

22、1、本发明利用超构表面器件对光波能量的良好束缚能力，形成高品质因子的光学共振，良好的声波局域以增强声光相互作用强度；

23、2、本发明锗锑硫薄膜具备高光弹性系数，可以实现对光波和声波的大范围重叠与相互作用以及增强声光相互作用中的光弹性效应，从而增强结构内的声光相互作用；

24、3、本发明的超构表面器件在2-10ghz内可以激发多种声学共振模式，且本发明的超构表面器件可用于产生高品质因子的光学共振，可以产生耦合率为812.24khz的声光相互作用；

25、4、本发明可以实现连续谱束缚态，对光场能力具备良好的局域能力，同时利用锗锑硫材料强的光弹性系数以及与二氧化硅材料巨大的声速失配，一方面增强光弹性效应对声光相互作用的贡献，另一方面可以抑制声波向衬底的泄露，加强对声波的局域，以增强声光相互作用面积。

技术特征：

1.一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，包括基片(1)，其特征在于：还包括设置在基片(1)上的锗锑硫-电子胶异质层；所述的锗锑硫-电子胶异质层包括锗锑硫薄膜(2)、以及锗锑硫薄膜(2)上异质集成的电子胶纳米线超构表面(3)，通过采用光线正入射至超构表面器件，使光线被超构表面器件调制，获取经过超构表面器件调制的反射光线，获得包含被声波散射信号的光波。

2.根据权利要求1所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的锗锑硫-电子胶异质层相对于基片(1)为未悬浮状态。

3.根据权利要求1所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的电子胶纳米线超构表面(3)包括多个呈周期性排列的微纳结构重复单元。

4.根据权利要求3所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的微纳结构重复单元呈纳米线状。

5.根据权利要求4所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的微纳结构重复单元厚度为100nm、周期为755nm、宽度为550nm。

6.根据权利要求1所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的基片(1)为硅衬底，所述的硅衬底上还涂覆有一层二氧化硅层(4)。

7.根据权利要求6所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的锗锑硫层厚度为450nm，所述的二氧化硅层(4)的厚度为2μm。

8.根据权利要求1所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的超构表面器件在x方向和y方向呈镜面对称。

9.根据权利要求1所述的一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，其特征在于：所述的超构表面器件在连续谱束缚态光学模式实现高强度声光相互作用通过声光耦合率g0衡量，所述的声光耦合率g0是由移动边界效应(mb)和光弹性效应(pe)两部分组成；所述的声光耦合率g0按照如下公式进行计算：

10.一种用于检测权利要求1-9任一项所述的增强光波与声波相互作用的超构表面器件的信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明提供一种增强光波与声波相互作用的超构表面器件，包括基片，还包括设置在基片上的锗锑硫‑电子胶异质层；所述的锗锑硫‑电子胶异质层包括锗锑硫薄膜、以及锗锑硫薄膜上异质集成的电子胶纳米线超构表面，通过采用光线正入射至超构表面器件，使光线被超构表面器件调制，获取经过超构表面器件调制的反射光线，获得包含被声波散射信号的光波。本发明利用超构表面器件对光波能量的良好束缚能力，形成高品质因子的光学共振，良好的声波局域以增强声光相互作用强度；本发明锗锑硫薄膜具备高光弹性系数，可以实现对光波和声波的大范围重叠与相互作用以及增强声光相互作用中的光弹性效应，从而增强结构内的声光相互作用。技术研发人员：冯天华,袁瑾,李鹏腾受保护的技术使用者：暨南大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12