(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210537586.X (22)申请日 2022.05.18 (71)申请人 华南师范大学 地址 510631 广东省广州市天河区中山大 道西55号 (72)发明人 张凤春　 (74)专利代理 机构 北京清控智云知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 11919 专利代理师 仵乐娟 (51)Int.Cl. H01L 31/09(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 21/21(2006.01) G01N 21/27(2006.01)G01N 21/41(2006.01) G01N 21/65(2006.01) (54)发明名称 一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸 收超表面器件 (57)摘要 本发明涉及一种等离激元中红外线偏振光 窄带完美吸收超表面器件， 该器件自下而上包括 基底层、 周期性阵列排布于基底上的 “超分子”单 元， 和布置于基底及 “超分子”单元上的表 面金属 层。“超分子”单元包括两根相距一定间隔布置的 立柱和布置于两根立柱一侧的横杆， 两根立柱的 形状一致， 高度为亚波长， 横杆的长度方向与立 柱的布置方向相同， 横杆与两根立柱之间的距离 相等， 立柱 为其横截面半径由其基底侧至其顶端 侧逐渐收缩的类圆锥体， 横杆的高度小于立柱， 横杆的纵截面为尺寸一致的半椭圆面； 该器件在 中红外线偏振光正入射情况下， 呈现窄线宽完美 吸收峰， 对比需要倾斜入射的器件， 本申请极大 地提升了器件的实用性和易用性。 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 CN 114937713 A 2022.08.23 CN 114937713 A 1.一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面器件， 其特征在于， 包括基底， 周 期性阵列排布于基底上的 “超分子”单元， 和布置 于基底及“超分子”单元上的表面金属层； 所述“超分子”单元包括两根相距一定间隔布置的立柱和布置于两根立柱一侧的横杆， 两根立柱的形状一致， 高度为亚波长， 所述横杆的长度方向与所述立柱的布置方向相同， 所 述横杆与所述两根立柱之 间的距离相等， 所述立柱为其横截面半径由其基底侧至其顶端侧 逐渐收缩的类圆锥体， 所述横杆 的高度小于所述立柱， 所述横杆 的纵截面为尺寸一致的半 椭圆面； 当入射线偏振光偏振方向平行于基底且垂直于两根立柱中心线时， 出现窄带完美吸收 峰。 2.根据权利要求1所述的超表面器件， 其特征在于， 所述入射线偏振光为中红外线偏振 光， 其波长范围为 4微米至10微米。 3.根据权利要求1或2所述的超表面器件， 其特征在于， 所述表面金属层的厚度大于中 红外线偏振光的趋肤深度。 4.根据权利要求3所述的超表面器件， 其特征在于， 所述表面金属层选用金层， 所述金 层的厚度选用10 0nm。 5.根据权利要求1、 2或4所述的超表面器件， 其特征在于， 所述 “超分子”单元沿横向和 纵向上的周期排列数均大于等于10； 优选地， 所述 “超分子”单元沿横向和纵向上的周期排 列数均等于10 。 6.根据权利要求1、 2或4所述的超表面器件， 其特征在于， 所述 “超分子”单元选用旋涂 于基底上的光刻 胶层经飞秒激光 直写工艺形成。 7.根据权利要求1、 2或4所述的超表面器件， 其特征在于， 所述立柱的半径为0.3微米， 所述立柱的高度为1.7微米； 所述矮杆的底面宽度为0.5微米， 高度为0.6微米。 8.根据权利要求7所述的超表面器件， 其特征在于， 所述两根立柱的中心距为1.15微 米， 所述“超分子”单元周期大小选用3.2微米 ×3.2微米。 9.根据权利 要求1、 2或4所述的超表面器件， 其特征在于， 所述入射光波长为4.783微米 出现窄带完美吸收峰时， 品质因子Q≈64， 立柱尖顶场增强因子最大值为(|E|2/|E0|2)max≈ 12000倍。 10.根据权利要求1、 2或4所述的超表面器件， 其特征在于， 所述基底选用二氧化硅基 底。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114937713 A 2一种等离激元中红外线偏振光窄带完美吸收超表面 器件 技术领域 [0001]本发明涉及 新型微纳光子器件领域， 特别涉及一种等离激元中红外线偏振光窄带 完美吸收超表面器件。 背景技术 [0002]光学超表面是新型人工二维微结构薄层光学器件， 可以实现入射光场的振幅， 相 位和偏振的调控， 相比于传统三维超材料， 具有亚波长厚度， 多功能集成， 制备工艺简单等 特点， 成为近年来国际纳米光子学领域研究热点。 纳米共振器中， 窄线宽共振曲线意味着该 模式光子具有长寿命， 能显著增强光与物质的相互作用。 相比于宽带共振曲线， 能极大提高 精密光谱分析的灵敏度(如FP腔具有极窄的共振曲线， 相比于迈克尔逊干涉仪等的相对宽 谱器件拥有更高的检测灵敏度)。 金属 等离激元共振型超表面将电磁场 强束缚在金属和介 质界面， 具有很强的表面电场增强效应， 能够显著增强光与结构周围环境物质的相互作用， 被广泛用于表面拉曼增强， 折射率传感， 生物分子传感和精密光谱分析等研究领域。 然而， 由于金属在光学波段 的材料损耗， 导致金属 微结构共振曲线不可避免地展宽， 器件的品质 因子一般较低(Q<10)， 致使器件灵敏度较低， 不利于实际应用。 因此， 寻找新方法抑制或平 衡金属等离激元共振型超表面的损耗， 开发窄线宽的等离激元共振型超表面器件具有重要 的实际应用价 值。 [0003]近期， 人们把连续谱 中的束缚态原理(Boun d states in the continuum， BIC)应 用于等离激元共振型超表面的研究中， 设计了一些性能优异的等离激元共振型超表面器 件。 本组之前参与的工作， 提出了一种基于偶然性BIC原理(Accidental  bound states in  the continuum)的在动量空间具有窄线宽、 高品质因子(Q值)的完美吸收共振超表 面器件， 发表于Nano  Letters(D OI： 10.1021/acs.nanolett.0c01752)。 然而， 该超表面要求入射光 必须在特定角度入射才能激发偶然性准BIC模式， 形成窄线宽的完美吸收谱。 实际应用中， “倾斜入射 ”的要求， 增加了光学系统的复杂度， 需要引入多轴精密调节机械系统精确控制 光的入射、 反射角度及其他光学元件的角度， 光路 复杂且难于调节， 同时系统的机械稳定性 较差， 不利于器件的实际使用； 而当光垂 直入射时， 入射光无法耦合到BIC模式， 几乎全部被 反射。 发明内容 [0004]入射光垂直入射器件并反射到探测系统接收， 是光学系统最简单高效的工作方 式， 会极大简化光学系统的复杂程度， 大大提升器件的实用性和易用性。 据此我们根据对称 性保护BIC原理(S ymmetry protected  bound states in the continuum)， 提出了一种金 属微结构等离激元共振型超表面器件。 当入射线偏振光正入射至该器件， 反射谱呈现窄线 宽完美吸收峰。 其克服了必须倾斜入射才能实现窄带完美吸收的限制， 光路简单且易于调 节， 具有较高的实用性与易用性。 其在光学滤波， 折射率传感， 光谱分析， 表 面拉曼增强和生 物分子探测以及太阳能利用等方面有潜在应用价 值。说　明　书 1/5 页 3 CN 114937713 A 3