本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种表面电场分布可调的光学器件及其调节方法。
背景技术
在入射光的激发下，贵金属纳米结构的表面增强电场对增强光谱技术具有重要的意义。例如，研究表明，表面增强拉曼散射的增强因子正比于表面增强电场的四次方。贵金属纳米结构表面电场的分布反映了被探测生物分子的分布，所以可控调节贵金属纳米结构表面电场对探测与生物分子的空间位置相关的信息具有重要的价值。
传统调节表面电场分布的方法有重新制作结构和调控入射光的偏振方向。前者，需要重新制作，成本高；后者，严重依赖于纳米结构的形貌，也不能实现渐变式的调控。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的在确定结构中表面电场分布不可调的问题，本发明提供了一种表面电场分布可调的光学器件及其调节方法，该结构可以通过控制第一棒体材料性质的转化来调节表面电场分布和局域电场共振模式。后期使用时只需要根据需要进行吸氢或脱氢作用即可实现对该结构表面电场分布和局域电场共振模式的调节，制备和调节方法简单快捷，易于操作。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种表面电场分布可调的光学器件包括基底层和单层平面结构；所述单层平面结构由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列平面连接而成；所述每个周期单元包括一个结构单元；
所述每个结构单元由第一棒体、第二棒体和第三棒体平面排列组成；
所述第二棒体和第三棒体互相平行且排列于第一棒体的同一侧；所述第二棒体和第三棒体均与第一棒体垂直；
所述第二棒体和第三棒体分别与第一棒体具有相等的第一间距g；所述第二棒体和第三棒体之间具有一垂直第二间距d；
所述第一间距g为第二棒体和第三棒体端面与第一棒体侧面的最短垂直距离；
所述第一棒体由金属mg制成；
所述第二棒体和第三棒体均由贵金属制成。
进一步地，所述第一棒体、第二棒体和第三棒体结构相同，均为长方体。
进一步地，所述第一棒体的长度不小于第二棒体和第三棒体之间的第二间距d；
所述第一间距g不大于所述第二棒体长度的1/3。
进一步地，所述基底层为玻璃基底。
进一步地，所述光学器件的调节方法，包括以下步骤：
步骤1，在室温下，将所述光学器件置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，所述第一棒体的金属mg与氢气发生氢化反应生成mgh2，也就等同于介质，所述光学器件第一棒体的材料发生改变，其透射特性也随之发生变化；
步骤2，在室温下，将氢化后的光学器件置于氧气环境中，mgh2发生氧化脱氢反应，所述第一棒体的mgh2还原为金属mg，所述光学器件的透射特性还原至初始；
通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现所述光学器件表面电场分布的调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明光学器件为简单的平面结构，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易，制备工艺简单快捷，节省人力物力，在后期使用时只需要根据需要进行吸氢或脱氢作用即可实现对该结构表面电场分布的调节，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。
2.本发明光学器件通过金属mg的吸氢脱氢作用，实现对该结构中的第一棒体材料性质的转化，通过mg（金属）到mgh2（介质）的材料性质转化实现对该结构表面电场分布和局域电场共振模式的调节，操作简单方便，为该类光学器件的设计提供了一种新的思路。
3.本发明光学器件可以使得电场增强位置发生改变，当第一棒体为金属mg时，局域增强电场聚集在了第一棒体与第二棒体和第三棒体之间的夹缝中；当第一棒体为mgh2时，局域增强电场聚集在了第二棒体和第三棒体两端位置。这一局域电场增强效应可以被应用在近场宽频光捕获、宽频透射等领域，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路。
4.本发明光学器件可以调节透射光的相对大小及共振波长，通过控制部分材料的状态来调节透射光强度的相对大小及共振波长。
5.本发明光学器件可以使得电场增强位置发生改变，这一新效应可以应用在近场宽频光捕获、传感器等领域，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，具有一定的指导意义。
6.本发明光学器件在第一棒体材料转化前后对x偏振光具有不同的宽频透射率，可以实现对x偏振光具有不同程度上的选择性宽频透射，这是其他结构所不具备的性能，为宽频增强透射光学器件提供了新的研究方向和思路。
7.本发明光学器件可以实现从mg到mgh2的渐进式变化，可以实现电场的可控调节。
8.金属mg价廉易得，mgh2包含高达7.6%质量分数的氢，超越所有可知的可逆金属氢化物，mg在紫外和蓝色可见光波段具有优越的消光效能，可以产生高频等离激元。
附图说明
图1是本发明表面电场分布可调的光学器件的立体结构示意图；
图2是本发明表面电场分布可调的光学器件结构单元示意图；
图3是本发明表面电场分布可调的光学器件在x偏振光照射下第一棒体材料转化前后的透射图；
图4是本发明光学器件在x偏振光照射下，波长λ=480nm共振位置的电场分布图；
图5本发明光学器件在x偏振光照射下，波长λ=740nm共振位置的电场分布图。
其中，图2中：1、第一棒体；2、第二棒体；3、第三棒体。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种表面电场分布可调的光学器件及其调节方法，解决了现有技术中存在的在确定结构中表面增强电场不可调及局域电场共振模式无法调节的问题，该结构可以通过控制第一棒体材料性质的转化来调节表面电场分布和局域电场共振模式。后期使用时只需要根据需要进行吸氢或脱氢作用即可实现对该结构表面电场分布和局域电场共振模式的调节，制备和调节方法简单快捷，易于操作。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种表面电场分布可调的光学器件，该光学器件包括基底层和单层平面结构，简单的平面结构，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易，制备工艺简单快捷，节省人力物力，在后期使用时只需要根据需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该结构表面电场分布的调节，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。
单层平面结构由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列平面连接而成，每个周期单元包括一个结构单元。每个结构单元由第一棒体1、第二棒体2和第三棒体3平面排列组成，第二棒体2和第三棒体3互相平行且排列于第一棒体1的同一侧，第二棒体2和第三棒体3均与第一棒体1垂直。
第二棒体2和第三棒体3分别与第一棒体1具有相等的第一间距g，第一间距g为第二棒体2和第三棒体3端面与第一棒体1侧面的最短垂直距离。
第一棒体1由金属mg制成，第二棒体2和第三棒体3均由贵金属制成。本实施例优选为金。本实施例光学器件对x偏振光可以产生不同的透射率，从而实现对x偏振光的选择性透射。
而且，金属mg价廉易得，mgh2包含高达7.6%质量分数的氢，超越所有可知的可逆金属氢化物，mg在紫外和蓝色可见光波段具有优越的消光效能，可以产生高频等离激元。
如图2所示，第一棒体1与第二棒体2和第三棒体3结构相同，均为长方体。第一棒体1的长度不小于第二棒体2和第三棒体3之间的第二间距d，第一间距g不大于第二棒体2长度的1/3。基底层为玻璃基底。
实施例2：
基于实施例1的结构，本实施例公开了一种表面电场分布可调的光学器件的调节方法，包括以下步骤：
步骤1，在室温下，将光学器件置于充满氢气的密闭装置中，放入催化剂钯，静置30min以上，第一棒体1的金属mg与氢气发生氢化反应生成mgh2，也就等同于介质，光学器件第一棒体1的材料发生改变，其透射特性也随之发生变化；
步骤2，在室温下，将氢化后的光学器件置于氧气环境中，mgh2发生氧化脱氢反应，第一棒体1的mgh2还原为金属mg，光学器件的透射特性还原至初始；
通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现表面电场分布的调节。
光学器件结构的制备工艺要求非常严苛，一种结构只能实现其特定的模式，无法在该结构的基础上做适当调整以实现对光学特性的调整，而只能通过重新设定所需结构参数，重新制备该结构来达到我们的目的。基于实施例1中公开的表面电场分布可调的光学器件，在本实施例中，提供了一种表面电场分布可调的光学器件的调节方法，可以通过吸氢或脱氢作用来改变该结构的表面电场分布及局域增强电场模式，在不重新制备的情况下改变该结构部分材料的性质，从而达到调整透射特性的目的。本实施例中，在吸氢和脱氢反应完成后，测试其透射强度。
在常温下，将该光学器件置于含有一定浓度氢气的密闭容器中，以钯为催化剂，本实施例优选氢气体浓度为0.25v%和3.0v%，以氮气为载气。钯作为催化剂将氢气分子分解为氢原子，与金属mg发生氢化作用，在此过程中可以通过控制通入氢气的浓度来实现渐进式变化，材料性质的可控式转化，从而实现电场的可控调节。
在氢气浓度为0.25v%时，随着时间的推移，金属mg逐渐发生吸氢作用形成mgh2，发生了从完全金属化到完全介质化的转化，整个氢化过程完成大约100分钟。将该结构置于3.0v%体积分数的高浓度氢气中，吸氢几乎是瞬间的。我们可以通过氢气浓度来调节金属mg的转化速度和转化率。
然后在室温下，将氢化后的光学器件结构暴露在空气当中，发生脱氢作用，氢气逐渐从金属mg上脱离，mgh2逐渐转化为金属mg，还原为初始状态，该结构的透射特性及电场分布也恢复至之前的状态。
所以，本实施例光学器件通过金属mg的吸氢脱氢作用，实现对该结构中的第一棒体1材料性质的转化，通过mg（金属）到mgh2（介质）的材料性质转化实现对该结构表面电场分布和局域电场共振模式的调节，操作简单方便，为该类光学器件的设计提供了一种新的思路。
如图3所示，还可以调节透射光的相对大小及共振波长，通过控制部分材料的状态来调节透射光强度的相对大小及共振波长。
如图3所示，本申请实施例光学器件在第一棒体1材料转化前后对x偏振光具有不同的宽频透射率，可以实现对x偏振光具有不同程度上的选择性透射，这是其他结构所不具备的性能，为宽频增强透射光学器件提供了新的研究方向和思路。
本实施例光学器件可以使得电场增强位置和方向发生改变，当第一棒体1为金属mg时，局域增强电场聚集在了第一棒体1与第二棒体2和第三棒体3之间的夹缝中；当第一棒体1为mgh2时，局域增强电场聚集在了第二棒体2和第三棒体3两端位置。这一局域电场增强位置改变的效应可以被应用在近场宽频光捕获、宽频透射等领域，更为其他光学器件的设计与研究提供了一种新的研究方向和思路，具有一定的指导意义。
实施例3：
基于实施例1所公开的光学器件，通过使用三维有限元方法（fem）计算软件comsolmultiphysics进行仿真计算模拟试验。具体设置参数如下：
第一棒体1、第二棒体2和第三棒体3均为长方体，第一棒体1尺寸为：长120nm×宽40nm×厚40nm；第二棒体2和第三棒体3尺寸为：长110nm×宽40nm×厚40nm；第一间距g=25nm；第二间距d=40nm。模拟结果如图3所示，为本实施例表面电场分布可调的光学器件第一棒体1的材料性质转化前后的透射曲线图。
从图3中可以看出，在x偏振光照射下，尤其是在400~850nm波段范围内，第一棒体1材料转化前后该结构的透射值有很大的差异，尤其是在波长λ=480nm时，透射率t（mg）=39.2%，透射率t（mgh2）=91.0%，透射率相差51.8%；在波长λ=740nm时，透射率t（mg）=69.4%，透射率t（mgh2）=99.8%，透射率相差30.4%。该结构完全可以对400~850nm波段范围内的x偏振光进行选择性透射，而且该波段大部分处于可见光波段（380~780nm），在实际生活中具有很广泛的应用，在光学器件领域有很好的推广和应用价值。
实施例4：
基于实施例1公开的表面电场分布可调的光学器件结构，如图4和图5所示为在x偏振下，共振波长为480nm和共振波长为740nm时的电场分布图。由图4(a)和5(a)中可以看出，当结构中第一棒体1材料是金属mg时，其局域电场增强区域主要聚集在第一棒体1、第二棒体2和第三棒体3靠近第一棒体1一端，电场方向为横向，且电场较强；
由图4(b)和5(b)可以明确的看出，当第一棒体1材料转化为介质mgh2时，其局域电场增强的位置主要聚集在了第二棒体2和第三棒体3两端位置，电场方向为沿金属棒体纵向，且电场较弱。
第一棒体1的材料转化前后，本实施例表面电场分布可调的光学器件局域电场增强模式发生了改变，强度和方向均发生了改变，这一新效应可以应用在近场宽频光捕获、传感器等领域，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，具有一定的指导意义。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。