一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件

本发明涉及超材料研究，尤其是涉及一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件。

背景技术：

1、在过去的十年中，超构表面的发展已经改变了我们操纵光线的方式。金属表面是二维(2d)超材料，在亚波长尺度上控制光的振幅、相位和偏振。通过仔细设计元原子的形状、位置和间距，可以有效地控制传播光的远场波前，创建创新的二维光子器件，如平面透镜、完美吸收体、非互易元表面和非线性元表面。此外，超构表面还被证明可以调制近场表面波或表面等离子体模式。尽管取得了这些进展，但今天展示的大多数亚表面器件都是无源的，在设计和制造后具有固定的光学常数。活性亚表面可以通过外部刺激调节光学参数，近年来引起了极大的研究兴趣。制造有源超构表面的一种方法是集成有源光子材料作为单元原子的一部分。在电，磁，热或光刺激下，可以调制有源光子材料的光学常数，从而调制近场模式剖面，从而调制亚表面的远场光学常数。多种活性光子材料被提出用于活性超构表面应用，例如相变材料、ε近零材料、液晶、磁光材料、通过电化学反应的金属和2d材料。还展示了基于这些设备的新功能，包括光学开关和调制、光束控制、可调结构颜色和热伪装等。

2、相变材料，如vo2、gst、gsst，可以为活性金属表面应用提供大的折射率对比。在这些相变材料中，vo2具有以下优点：a.与gst/gsst相比，基于vo2的器件需要更低的能量或温度来诱导绝缘体-金属相变(imt)。b.vo2的imt是不稳定的，可以用于需要动态调制的设备。c.vo2的imt过程可以通过光子激发在飞秒时间尺度上触发，这种超快imt过程归因于光载流子诱导的mott带隙坍缩导致的mott-hubbard型相变，而没有晶体结构变化。最近的一项实验表明，这种现象发生在30fs内。因此，vo2被认为是一种有前途的相变材料，用于活性金属表面应用，vo2显示温度为68℃时的imt，可见光至太赫兹频率范围内的光学常数变化显著。各种基于vo2的有源纳米光子器件已被开发用于应用，包括可调谐偏振器、全光开关、可调谐结构颜色、自适应伪装和可调谐完美吸收体等。在au/vo2混合等离子体结构中观察到了能量有效的相变。然而，由于高损耗等离子体共振模式，这些器件中的许多显示出相对较低的透射率，这对于光学调制是不期望的。此外，基于vo2的等离子体器件通常需要昂贵的自上而下的制造方法，如电子束光刻和聚焦离子束蚀刻，从而将器件尺寸限制在小面积。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，解决了现有近红外波段传统光学器件体积大，透射率低下，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限以及超表面器件的结构加工困难，传输转化效率低下的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其结构包括两种形式，分别为光开关器件和光反射器件，所述光开关器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度小于所述基底的厚度，且大于金属薄膜的厚度；

3、所述光反射器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜、介质层和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度均大于所述介质层的厚度和所述金属薄膜的厚度，且小于所述基底的厚度，所述介质层的厚度大于所述金属薄膜的厚度。

4、优选的，所述光开关器件和所述光反射器件中的基底、相变材料薄膜和金属薄膜均为相同的材料。

5、优选的，所述基底均为双面抛光的sio2。

6、优选的，所述相变材料薄膜均为使用pld沉积生长的vo2薄膜。

7、优选的，在所述光开关器件中，所述vo2薄膜的厚度为90nm；在所述光反射器件中，所述vo2薄膜的厚度为70nm。

8、优选的，所述金属薄膜均为溅射生长的金孔洞薄膜。

9、优选的，在所述光开关器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为30nm；在所述光反射器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为20nm。

10、优选的，所述介质层的材料为透明的si层，其厚度为60nm。

11、优选的，利用聚苯乙烯(ps)小球紧密排列制作周期性的纳米孔洞结构，具体包括以下步骤：

12、步骤1、在sio2为基底、vo2薄膜的样品表面制备一层紧密排列的ps小球阵列。为了防止小球在后续流程中发生移动，将附着小球的样品放在105℃加热台上15s，略微融化小球底部固定在基片上；

13、步骤2、利用氧等离子体刻蚀ps小球，使其尺寸缩减至400nm；

14、步骤3、采用磁控溅射的方法在样品上沉积一层30nm厚的金膜；

15、步骤4、使用超声波机，在甲苯溶液中协助剥离样品上方的ps小球，分别在乙醇、去离子水中交替清洗，清洗时间不少于2分钟，最后在vo2薄膜上完成周期性孔洞结构的制备。

16、优选的，在步骤1中，使用的ps小球的直径为500nm。

17、因此，本发明采用上述一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，具有以下优点：

18、1.光开关器件在vo2介质态时，通过设计金属孔洞结构的周期和尺寸，满足表面等离子共振(surfaceplasmonresonance,spr)动量守恒条件，能够在中红外波长激励出au/air界面的spr模式，进一步通过孔洞结构隧穿至下表面au/vo2产生spr模式，并辐射出去，获得较高的透过效率，形成eot现象。

19、2.当vo2薄膜材料相变至金属态，eot消失，入射光被反射和吸收，透过率低。因此，通过改变vo2薄膜材料的相变态，能够在高透过和低透过之间切换，具有高的光开关比的光开关器件。

20、3.进一步，器件中au/vo2界面的spr波长设计在1200nm附近，通过spr提高vo2薄膜内电场强度以及热电子注入，能够在更低能耗下实现vo2薄膜相变。

21、4.在入射波长2360nm时产生高的光开关比，预计能在fs时间尺度上实现了全光光开关。

22、5.光反射器件的设计在原有的光开关的基础上中间加入了一个si层，形成mim结构，使得入射波与反射波存在一定的相位差，产生干涉，形成光反射器件。

23、6.实验和仿真验证了对于光反射器件对于相位干涉的原理，为超构表面器件的光场调控迈出了原始的一步。

24、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：其结构包括两种形式，分别为光开关器件和光反射器件，所述光开关器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度小于所述基底的厚度，且大于金属薄膜的厚度；

2.根据权利要求1所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述光开关器件和所述光反射器件中的基底、相变材料薄膜和金属薄膜均为相同的材料。

3.根据权利要求2所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述基底均为双面抛光的sio2。

4.根据权利要求2所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述相变材料薄膜均为使用pld沉积生长的vo2薄膜。

5.根据权利要求4所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：在所述光开关器件中，所述vo2薄膜的厚度为90nm；在所述光反射器件中，所述vo2薄膜的厚度为70nm。

6.根据权利要求2所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述金属薄膜均为溅射生长的金孔洞薄膜。

7.根据权利要求6所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：在所述光开关器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为30nm；在所述光反射器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为20nm。

8.根据权利要求1所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述介质层的材料为透明的si层，其厚度为60nm。

9.根据权利要求1-8所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：利用聚苯乙烯(ps)小球紧密排列制作周期性的纳米孔洞结构，具体包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：在步骤1中，使用的ps小球的直径为500nm。

技术总结
本发明公开了一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其结构包括两种形式，分别为光开关器件和光反射器件，光开关器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜和金属薄膜，相变材料薄膜的厚度小于基底的厚度，且大于金属薄膜的厚度；光反射器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜、介质层和金属薄膜，相变材料薄膜的厚度均大于介质层的厚度和金属薄膜的厚度，且小于基底的厚度，介质层的厚度大于金属薄膜的厚度。本发明采用上述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，解决了现有近红外波段光学器件体积大，透射率低，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限及超表面器件的结构加工困难，传输转化效率低下的问题。

技术研发人员：唐婷婷,何珂,李杰,李朝阳,康同同
受保护的技术使用者：成都信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14