高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其包括由三層構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)，其中上下兩層是金屬，中間的一層是介質(zhì)結(jié)構(gòu)，數(shù)個該單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成周期單元結(jié)構(gòu)，周期為p，倍頻或三倍頻有機材料作為中間介質(zhì)材料。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點:尺寸?。涸摮牧辖Y(jié)構(gòu)厚度在一百納米左右，更加有利于集成光學(xué)中的應(yīng)用;轉(zhuǎn)換效率高：該結(jié)構(gòu)利用磁性超材料的磁諧振有效增強了局域電磁場，從而使得非線性材料的非線性效應(yīng)有了很大提高，同等厚度的非線性材料的非線性響應(yīng)觀測不到;響應(yīng)速度快：金屬等離子激發(fā)可以達(dá)到幾個飛秒的程度，利于光學(xué)信號的超快處理。
【專利說明】高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光學(xué)，尤其涉及高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)非線性光學(xué)材料尺寸大，并且存在相位失配的問題。該效應(yīng)源于材料的色散，引起非線性過程中光子動量不守恒，導(dǎo)致干涉和低轉(zhuǎn)換效率。
[0003]為提高轉(zhuǎn)換效率，必須使用相位匹配技術(shù)，包括雙折射相位匹配、角相位匹配，還有準(zhǔn)相位匹配。但是每種技術(shù)都有各自的缺陷。
[0004]納米金屬復(fù)合材料利用金屬顆粒的局域電場增強提高非線性效應(yīng)，但電諧振的作用有限，效果遠(yuǎn)不如磁諧振。
[0005]隨著非線性光學(xué)的快速發(fā)展，一方面是要尋找非線性光學(xué)系數(shù)大、響應(yīng)速度快的材料；一方面是發(fā)展非線性光學(xué)材料的應(yīng)用，如光開關(guān)、光通信等小型集成等光學(xué)器件。但是傳統(tǒng)非線性光學(xué)材料的應(yīng)用需要足夠長的作用距離，并且為達(dá)到足夠大的轉(zhuǎn)換效率需要滿足相位匹配的條件，這些都限制了其在微納光子學(xué)器件中的應(yīng)用。
[0006]為提高轉(zhuǎn)換效率，已經(jīng)有幾種廣泛使用的相位匹配技術(shù)。雙折射相位匹配技術(shù)利用晶體的雙折射特性補償晶體的色散效應(yīng)，但是這個技術(shù)只限制在雙折射材料。角相位匹配通過相互作用光波的幾何校正來進(jìn)行相位補償，可是這種不共線的光學(xué)方法限制了相互作用的長度。準(zhǔn)相位匹配采用由周期或準(zhǔn)周期的非線性晶體引入的動量消除了原本的相位失配，但是種方法限制在特定的非線性晶體并且可以補償相位的范圍不大。
[0007]光學(xué)非線性本身很微弱，因為其是由材料內(nèi)部光子與光子間的相互作用所控制，因此很強烈地依靠于電磁場的強度，而傳統(tǒng)非線性材料非線性效應(yīng)的產(chǎn)生很大程度依靠于激光器的大功率，而這樣很容易受到限制并且在微納光子學(xué)領(lǐng)域的可利用性不高。
[0008]新型的超材料所帶來的等離子體激發(fā)對于金屬的介電性質(zhì)和周圍介質(zhì)都十分敏感。在非線性光學(xué)中，這種超常的敏感可用于光控光，用一束光來引導(dǎo)材料中介電特性的非線性變化，進(jìn)而改變等離子共振和信號光的傳播。此外，等離子體的激發(fā)可以在幾個飛秒的程度上快速響應(yīng)，這樣便能實現(xiàn)光學(xué)信號的超快處理，而這些是傳統(tǒng)非線性材料所不具備的。
[0009]納米金屬顆粒復(fù)合薄膜非線性光學(xué)特性相比傳統(tǒng)材料有較大增強，其增強機理來源于金屬顆粒的摻入而引起表面等離子體振蕩的增強，從而引起其周圍局域電場的變化，這種局域場反過來又引起了電場和金屬顆粒的相互作用。在微結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)的研究中，單個金屬納米粒子已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注和探索，然而由于金屬納米顆粒僅具有電諧振，對于入射光波的增強作用僅為幾十倍，所以產(chǎn)生的非線性信號比較微弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有非線性材料的不足，為了有效減小非線性光學(xué)器件的尺寸和提高其倍頻/三倍頻轉(zhuǎn)換效率，從而實現(xiàn)高速光開關(guān)、光調(diào)制器等全光器件的設(shè)計，特提出以下通過磁性超材料和有機非線性材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新型小尺寸、高效、快速的光學(xué)倍頻/三倍頻薄膜的設(shè)計。本發(fā)明提供了一種高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其包括由三層構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)，其中上下兩層是金屬，中間的一層是介質(zhì)結(jié)構(gòu)，數(shù)個該單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成周期單元結(jié)構(gòu)，周期為P，倍頻或三倍頻有機材料作為中間介質(zhì)材料。
[0011]優(yōu)選的，倍頻有機材料為半花菁染料衍生物，三倍頻有機材料為聚二乙炔類衍生物。
[0012]優(yōu)選的，上下兩層是銀。
[0013]優(yōu)選的,所述上下金屬的厚度t=20?40納米，介質(zhì)層厚度d=20?40納米,金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=150?250納米，光柵周期p=200?500納米。
[0014]優(yōu)選的,所述上下金屬的厚度t=25?35納米，介質(zhì)層厚度d=25?35納米,金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=160?180納米，光柵周期p=3000?450納米。
[0015]優(yōu)選的，上下金屬的厚度t=30納米，介質(zhì)層厚度d=30納米,金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=170納米,光柵周期p=400納米。
[0016]本發(fā)明的有益效果是：
[0017]在該設(shè)計中，由于單元結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于信號光的波長，所以不存在相位失配的問題。利用具有特殊性能的磁性超材料的局域場效應(yīng)來提高有機非線性材料的倍頻/三倍頻的轉(zhuǎn)換效率。具有特殊光學(xué)性質(zhì)特別是光學(xué)磁響應(yīng)的超材料一般是由金屬納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，特殊設(shè)計的超材料能夠很好地把光局域在納米量級的空間上，一般在結(jié)構(gòu)內(nèi)部有著非常強的局域場，現(xiàn)有的設(shè)計和試驗證實，在具有特殊性質(zhì)的超材料的內(nèi)部僅有幾十個納米的空間里，電場強度可以增強50倍以上，也就是說強局域場部分的光能量能被提高一千倍以上。另一方面，由于超材料對于入射電子波的磁場分量具有比較強的磁響應(yīng)，已有的實驗表明在超材料中，由于磁響應(yīng)產(chǎn)生的一系列的光學(xué)非線性信號如二次諧波，三次諧波，四波混頻等都成幾個量級的超過由電響應(yīng)產(chǎn)生的信號。在本發(fā)明中，采用以金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)作為周期單元形成光柵結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)的超材料具有很強的磁諧振，會在將入射光的很大程度局域在中間介質(zhì)層，因此不但存在很強的局域電場，而且存在很好的局域磁場增強，如果將非線性材料填充在中間介質(zhì)層，將會極大的提高非線性材料的非線性轉(zhuǎn)換效率。
[0018]尺寸?。涸摮牧辖Y(jié)構(gòu)厚度在百納米級別，更加有利于集成光學(xué)中的應(yīng)用。
[0019]轉(zhuǎn)換效率高：該結(jié)構(gòu)利用磁性超材料的磁諧振有效增強了局域電磁場，從而使得非線性材料的非線性效應(yīng)有了很大提高，同等厚度的非線性材料的非線性響應(yīng)幾乎沒有。
[0020]響應(yīng)速度快：相比傳統(tǒng)非線性晶體有著很大優(yōu)勢，金屬等離子激發(fā)可以達(dá)到幾個飛秒的程度，利于光學(xué)信號的超快處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖I是現(xiàn)有納米金屬顆粒復(fù)合薄膜示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的三維示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的截面示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明透射光譜；
[0025]圖5是本發(fā)明非線性倍頻超材料薄膜出射端電場強度譜；
[0026]圖6是本發(fā)明非線性三倍頻超材料薄膜出射端電場強度譜?！揪唧w實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0028]結(jié)構(gòu)如圖2、3所示，一個基于“三明治”結(jié)構(gòu)作為周期單元構(gòu)成的光柵結(jié)構(gòu)，周期為P。主體結(jié)構(gòu)是由“三明治”結(jié)構(gòu)組成，“三明治”結(jié)構(gòu)由三層結(jié)構(gòu)組成，其中上下兩層I和3是金屬，中間的一層2是介質(zhì)結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，把倍頻/三倍頻有機材料(半花菁染料（hemicyanine,HC)衍生物/聚二乙炔（PDA)類衍生物）作為中間介質(zhì)材料。半花菁染料(hemicyanine, HC)衍生物和聚二乙炔（PDA)類衍生物分別是常用的二階和三階非線性光學(xué)材料。
[0029]超材料的上、下兩層是金屬層，在可見光頻域工作的磁性納米條選用銀作為成對金屬條的材料。制備部分的難度在于如何制備出損耗比較小的光柵結(jié)構(gòu)，因為該結(jié)構(gòu)是金屬與介質(zhì)組成的有諧振特性的納米材料，金屬的損耗與其制備的過程密切相關(guān)，目前國際上主要的制備金屬納米膜的辦法是電子束蒸鍍，這樣子得到的材料純度比較高，表面比較平整，所以損耗比較小。
[0030]首先在附有ITO膜層的玻璃基底上旋涂光阻，然后用電子束刻蝕技術(shù)完成結(jié)構(gòu)的刻蝕和顯影，接下來采用真空電子束蒸鍍技術(shù)實現(xiàn)銀層的蒸鍍，非線性介質(zhì)層采用LB技術(shù)和旋涂技術(shù)進(jìn)行制備，完成“三明治”結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過lift-off過程得到想要的光柵結(jié)構(gòu)。
[0031]本結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計采用的參數(shù)是金屬條厚度t=20?40nm，如t為25、28、30、32、35納米，介質(zhì)層厚度d=20?40nm，例如d為25、28、30、32、35納米，金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=150 ?250nm，例如 w 為 160、170180、190、200、210、220、230、240 納米，光柵周期 p=200 ?500nm，例如 p 為 250、280、300、320、350、400 納米。
[0032]上述參數(shù)在TM偏振的光源照射下，能夠有效激發(fā)結(jié)構(gòu)的諧振效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)的透射光譜如圖4 ：
[0033]該結(jié)構(gòu)的磁諧振波長在1040nm，此時在中間介質(zhì)層的磁場增強可達(dá)到400倍以上，對于非線性效應(yīng)的增強起到巨大作用。
[0034]圖5為光源1040nm(288. 262THz)的TM偏振光垂直入射本倍頻超材料薄膜，在出射端電場強度頻譜圖，可以看到除去光源基頻的288. 262THZ，在倍頻處的576. 524THz也會看到很強的響應(yīng)，可得到倍頻振幅與基頻比為O. 0695。圖6為非線性三倍頻超材料薄膜出射端電場強度譜，可以看到，同樣有著很強的三倍頻響應(yīng)。而對于同等厚度d=30nm的單純非線性倍頻/三倍頻材料薄層，幾乎看不到非線性響應(yīng)。
[0035]該結(jié)構(gòu)有的優(yōu)勢如下：
[0036]I、通過調(diào)整該超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)可有效調(diào)控諧振位置，可以根據(jù)需要最大程度的提高不同信號光源的非線性轉(zhuǎn)換效率。參數(shù)變化與諧振位置關(guān)系如下：d變大，磁諧振藍(lán)移；t變大，磁諧振藍(lán)移；p變大，電諧振紅移；W變大，磁諧振紅移。
[0037]2、結(jié)構(gòu)尺寸小，厚度薄。從結(jié)構(gòu)的參數(shù)來看，與傳統(tǒng)非線性材料相比，超材料的厚度可以達(dá)到IOOnm級別，對于微納米光子學(xué)器件可利用性高。
[0038]3、超材料結(jié)構(gòu)其內(nèi)部金屬的等離子體激發(fā)可以在幾個飛秒的程度上快響應(yīng)，這樣便能實現(xiàn)光學(xué)信號的超快處理。
[0039]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其特征在于:其包括由三層構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)，其中上下兩層是金屬，中間的一層是介質(zhì)結(jié)構(gòu)，數(shù)個該單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成周期單元結(jié)構(gòu)，周期為P，倍頻或三倍頻有機材料作為中間介質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其特征在于:倍頻有機材料為半花菁染料衍生物,三倍頻有機材料為聚二乙炔類衍生物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其特征在于:上下兩層是銀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其特征在于:所述上下金屬的厚度t=2(T40納米，介質(zhì)層厚度d=2(T40納米，金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=150~250納米，光柵周期ρ=200-500納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其特征在于:所述上下金屬的厚度t=25~35納米，介質(zhì)層厚度d=25~35納米，金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=160~180納米,光柵周期p=3000~450納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高轉(zhuǎn)換效率的光學(xué)倍頻或三倍頻薄膜，其特征在于:上下金屬的厚度t=30納米，介質(zhì)層厚度d=30納米,金屬條和介質(zhì)層的寬度為w=170納米,光柵周期p=400納米。`
【文檔編號】G02F1/37GK103838057SQ201410072352
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】肖淑敏, 孫上, 宋清海 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院