具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构及制作方法

本发明涉及先进光学功能超材料设计及微纳加工，特别是一种近红外波段具有光调制特性的亚波长光栅超表面结构及制作方法。

背景技术：

1、利用极化激元在亚波长尺度上对光进行调制在纳米光子学和光电子学中具有广阔的应用前景。金属中的自由电子与光子耦合形成的表面等离激元是最早被发现并加以利用的一种极化激元形式。金属表面等离极化激元（surface plasmon polariton, spp）可以突破光学衍射极限，将电磁波的能量限域在亚波长尺度内，其共振激发可在金属-介质界面或金属纳米结构中诱导产生显著的场增强效应（即电磁场模式“热点”），并对电磁波的色散、波速等输运性质进行调控。然而，由于金属材料不可避免的高光学损耗，使得目前基于金属等离激元材料的相关纳米光学器件的应用受到限制，主要表现在其较宽的光谱线宽（即较低的品质因子）等方面。

2、针对以上问题，科研人员提出了许多概念和方法以减少等离激元纳米器件的本征/非本征损耗对高品质亚波长光场局域的影响。例如，在材料构成方面，研究更好的制备技术以提高金属纳米结构制备品质、寻求可替换或具有更优异性能的等离激元金属材料，抑或是添加增益材料以构建多组分材料构型等方法以补偿金属组分的固有本征模式损耗；在结构物理方面，通过设计纳米光栅、波导、微腔等结构体系，利用局域/非局域模式间的耦合调控机制激发如电磁诱导透明、导波模式共振（guided mode resonance, gmr）和连续域中的束缚态（bound states in the continuum, bics）等物理现象以抑制等离激元金属结构的非本征辐射阻尼，可实现特定或多频段的高品质因子模式共振；然而以上设计思路对材料性能参数要求较为严苛，且结构较为复杂，制备工艺精度要求高，成本也难以控制。

3、近几年的研究表明，全介质纳米超材料/超表面结构体系具有丰富的电、磁共振响应和极低的光学模式损耗，使其逐渐成为一种能够替代金属纳米超材料/超表面结构体系的研究方案，并已被广泛地应用于表面增强光谱、非线性光学和折射率传感等器件开发中。在以上全介质纳米超材料/超表面结构体系设计中，多层介质波导结构能够在多波段诱导激发诸如gmr、bics和法诺（fano）共振等高品质共振模式，并且由于其结构构型可大面积均匀制备且具有较低的制备成本，因而能够同时解决等离激元纳米器件设计所面临的结构、工艺和材料损耗等问题。但仍需要指出的是，该构型纳米器件的共振模式体积较大，因而其光场局域增强性能有待提升。

4、此外，基于亚波长超表面结构的红外光学器件因其在生物传感、气体检测和夜视成像等方面的应用而受到广泛关注。目前，科研人员设计了包括分裂环谐振器、纳米粒子多聚体和金属-介质多层结构等构型在内的多种红外光学纳米器件以满足特定或多频段红外光学探测的需求。然而，以上结构体系大多较为复杂且需较高的调节精度和制备成本，同时部分金属组分的引入不可避免地降低了共振模式品质因子。因此，探索具有简单构型且易于大面积制备、调节机制简单、性能稳定的红外高品质共振结构体系对于推进基于亚波长超表面结构的红外光学器件应用是十分必要的。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或改进需求，本申请提出了一种近红外波段具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构来解决以上的问题，本发明的重点在于设计一种具有简单构型且易于大面积制备、调节机制简单、性能稳定的红外高品质共振结构体系。该超表面结构在特定偏振条件下具有近红外超窄线宽异常光反射调制特性，且通过调节结构参数和入射光角度可灵活调控其光调制特性产生的光谱位置。

2、第一方面，本申请提出了一种具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，包括具有上下对称折射率差的叠层介质结构以及设置在叠层介质结构上的金属纳米光栅，叠层介质结构包括由上至下依次层叠设置的第一介质绝缘层、第二介质薄膜层和第三介质绝缘层，金属纳米光栅设置在第一介质绝缘层上，当光源偏振方向垂直于光栅脊部方向时，通过调节第一介质绝缘层和/或第二介质薄膜层的厚度，调整超表面结构在近红外波段内产生超窄线宽异常光反射现象的光谱位置。

3、作为优选，叠层介质结构中的第一介质绝缘层的折射率和第二介质薄膜层的折射率的差值与第三介质绝缘层的折射率和第二介质薄膜层的折射率的差值相同，其差值取值范围为2.0±0.05。

4、作为优选，叠层介质结构中的第一介质绝缘层厚度的调节范围为120纳米~160纳米，材质包括二氧化硅、三氧化二铝。

5、作为优选，叠层介质结构中的第二介质薄膜层厚度的调节范围为380纳米~640纳米，材质包括硅、砷化镓。

6、作为优选，叠层介质结构中的第三介质绝缘层厚度的调节范围为大于200纳米，材质包括二氧化硅、三氧化二铝。

7、作为优选，金属纳米光栅设有周期间隔设置的脊部，脊部的高度为40纳米~60纳米，宽度为200纳米~220纳米，相邻两个脊部的间隙为190纳米~210纳米，金属纳米光栅的材质包括金、银、铝中的任意一种。

8、作为优选，作用在超表面结构上以产生超窄线宽异常光反射现象的工作光源的偏振方向为垂直于金属纳米光栅的脊部方向。

9、作为优选，超表面结构产生超窄线宽异常光反射现象的光谱位置具有多角度可调节性且覆盖近红外i区和/或近红外ii区，其光调制特性随入射光角度调制范围为-50°~50°。

10、第二方面，本申请提出了一种根据第一方面中任一项的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构的制作方法，包括以下步骤：

11、s1，提供包括由下至上依次层叠的第三介质绝缘层和第二介质薄膜层的基底，于基底中的第二介质薄膜层上通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积工艺生长第一介质绝缘层；

12、s2，于第一介质绝缘层上旋涂光刻胶，经过曝光、显影后形成对称光栅图形；

13、s3，采用蒸镀工艺生长金属黏附层和金属层，并去除剩余光刻胶及其上方的金属黏附层和金属层，将对称光栅图形转移至金属黏附层和金属层，形成金属纳米光栅。

14、第三方面，本申请提出了一种根据第一方面中任一项的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构在红外超窄带反射式光滤波器件上的应用。

15、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

16、本发明提出了一种具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，能够解决现有红外光调制器件设计方案复杂、加工精度要求高且制备流程复杂等问题，从而达到便于高质量稳定制备，且制备产品多参数可调，在红外波段具有超窄线宽光调制性能和灵活的作用波长可拓展性；在工艺上，采用以上设计方案的结构器件具有高均一性，能够有效简化工艺制备流程，降低生产成本，提高生产良品率，为未来运用于集成多功能光学器件如芯片级光调制的设计开发提供了可能。

技术特征：

1.一种具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，包括具有上下对称折射率差的叠层介质结构以及设置在所述叠层介质结构上的金属纳米光栅，所述叠层介质结构包括由上至下依次层叠设置的第一介质绝缘层、第二介质薄膜层和第三介质绝缘层，金属纳米光栅设置在所述第一介质绝缘层上，当光源偏振方向垂直于光栅脊部方向时，通过调节第一介质绝缘层和/或第二介质薄膜层的厚度，调整超表面结构在近红外光区产生超窄线宽异常光反射现象的光谱位置。

2.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，所述叠层介质结构中的第一介质绝缘层的折射率和第二介质薄膜层的折射率的差值与第三介质绝缘层的折射率和第二介质薄膜层的折射率的差值相同，其差值取值范围为2.0±0.05。

3.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，所述叠层介质结构中的第一介质绝缘层厚度的调节范围为120纳米~160纳米，材质包括二氧化硅、三氧化二铝。

4.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，所述叠层介质结构中的第二介质薄膜层厚度的调节范围为380纳米~640纳米，材质包括硅、砷化镓。

5.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，所述叠层介质结构中的第三介质绝缘层厚度的调节范围为大于200纳米，材质包括二氧化硅、三氧化二铝。

6.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，所述金属纳米光栅设有周期间隔设置的脊部，所述脊部的高度为40纳米~60纳米，宽度为200纳米~220纳米，相邻两个所述脊部的间隙为190纳米~210纳米，金属纳米光栅的材质包括金、银、铝中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，作用在所述超表面结构上以产生超窄线宽异常光反射现象的工作光源的偏振方向为垂直于所述金属纳米光栅的脊部方向。

8.根据权利要求1所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构，其特征在于，所述超表面结构产生超窄线宽异常光反射现象的光谱位置具有多角度可调节性且覆盖近红外i区和/或近红外ii区，其光调制特性随入射光角度调制范围为-50°~50°。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种根据权利要求1-8中任一项所述的具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构在红外超窄带反射式光滤波器件上的应用。

技术总结本发明公开了一种具有红外超窄线宽反射调制特性的超表面结构及制作方法，涉及先进光学功能超材料设计及微纳加工技术领域，包括叠层介质结构及其上的金属纳米光栅，叠层介质结构包括由上至下的第一介质绝缘层、第二介质薄膜层和第三介质绝缘层，金属纳米光栅设置在第一介质绝缘层上。当光源偏振方向垂直于光栅脊部方向时，通过调节第一介质绝缘层和/或第二介质薄膜层的厚度以及入射光激发角度，调整该结构在近红外光区产生超窄线宽异常光反射现象的光谱位置。本发明提出了一种易于制备的超表面结构，其光调制特性具有超窄线宽、多结构参数和多角度可调节等特征，解决了亚波长尺度红外光学器件设计中制备工艺成本高、流程复杂、操作门槛高等问题。技术研发人员：谢超,沈少鑫,刘雯萱,郑周杰,吴柏欣,葛庆豪受保护的技术使用者：华侨大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16