[发明专利]一种表面等离激元奇异折射与反射调控结构及其设计方法

说明书

本发明属于表面等离激元调控技术领域，具体为一种表面等离激元奇异折射与反射调控结构及其设计方法。本发明调控结构由具有不同等离子体共振频率的金属纳米薄膜对接而成。借助金属薄膜两侧SPP的电磁耦合，可以在工作频率处同时支持具有正群速度和负群速度两种不同的SPP模式，通过与另一块只支持正群速度SPP模式的金属薄膜对接，在两者界面处实现奇异折射与反射现象。现有技术中人们通常需要设计复杂人工亚波长微纳结构才能实现SPP奇异反射和折射效应，本发明结构只需采用天然均匀金属材料制成纳米薄膜即可，具有设计简单、易于制备、效应丰富等优势，有望应用于光学传感、光学超分辨，增强光与物质相互作用等微纳光学领域。

技术领域

本发明属于表面等离激元调控技术领域，具体涉及一种表面等离激元奇异折射与反射调控的结构及其设计方法。

背景技术

电磁波的传输调控研究一直是光学领域的核心议题，其中光在两种不同媒质界面的反射和折射就是一种最基本的调控效应。很多研究及应用都与光的反射和折射调控密切相关。自然界中常见的反射和折射现象满足经典的Snell定律，入射光与反射光或折射光处在法线的两侧。然而，人们很早就开始研究是否存在负折射这种奇异的光学效应，早在1968年左右，科学家Veselago就在理论上研究了这种奇异光学现象，当光从常规(正折射率)介质斜入射到介电常数和磁导率都小于零的理想(负折射率)介质时，两介质的界面上将发生负折射现象，即折射光线和入射光线位于法线同侧，在负折射率介质中电磁波传输的群速度和相速度方向相反，这些奇特性质引起了人们的极大关注。在负折射率材料中还存在很多有趣现象，比如完美透镜、反常多普勒效应、反常古斯—汉森位移、反常切连科夫辐射等，这些特殊性质使得负折射材料具有广阔应用潜力。

电磁波传输调控不仅包括远场传输波调控，还涉及近场表面波调控。其中，表面等离激元 (Surface plasmon polaritons,SPP)是一种束缚于金属-介质交界面传输的电磁本征表面波模式，其所携带沿传播方向的水平波矢分量大于真空中的电磁总波矢，其电磁场的强度在远离界面时呈指数型衰减。近年来，随着理论研究的深入和纳米科技的进步，表面等离激元具有亚波长分辨和近场增强等奇异性质，逐渐成为纳米光学领域的研究热点，它在超分辨率成像、增强光与物质相互作用、数据存储、光子电路、生物医学传感等方面有着广泛的应用前景。然而，长期以来人们对于SPP的传输行为缺乏有效的调控手段，这极大限制了其应用的能力和广度。

最近，人们提出了利用超构材料(Metamaterial)来实现SPP调控。超构材料是通过人工设计的亚波长电磁共振微结构(也被成为人工原子)，按照周期性或非周期性的特定空间排列序构组成的人工材料。根据等效媒质理论，由于人工原子的尺寸远小于波长，导致电磁波进入超构材料时很难分辨其微小结构细节，使得超材料对光的响应可以被均匀化处理，具有等效的介电常数ε和磁导率μ。通过设计超构材料的结构参数，其介电常数ε和磁导率μ可正可负、可大可小，进而可以支持TE和TM不同偏振的SPP，并且其色散关系也可以灵活调控。现有的超构材料调控SPP的方法，需要设计复杂的人工亚波长结构，在真正应用中存在很大的困难。因此，人们需要发展新的设计方法，基于天然常规材料和简单的结构就能实现SPP奇异折射与反射调控，这成为未来亟需解决的研究课题。

发明内容

本发明旨在提供一种基于金属薄膜的表面等离激元奇异折射与反射结构及其设计方法，利用简单结构实现表面等离激元奇异折射与反射调控，以解决现有技术中存在的上述问题。

本发明提供的基于金属薄膜的表面等离激元奇异折射与反射的结构，由具有不同等离子体共振频率的金属纳米薄膜对接而成。借助金属薄膜两侧SPP的电磁耦合，可以在工作频率处同时支持具有正群速度和负群速度两种不同的SPP模式；通过与另一块只支持正群速度SPP 模式的金属薄膜对接，在两者界面处实现奇异折射与反射现象。具体地，包括一个入射端和一个折射端，背景介质材料为空气，入射端和折射端为厚度相同的天然均匀金属材料，透反射端关于y方向对称；在工作频率下支持群速度相反的丰富的SPP模式。