折叠式三维金属/介质复合结构的加工方法及光学调控特性研究

3D optical structures have more degrees of freedom compared to 2D structures, which have more novel properties when interacting with light. However, the fabrication techniques of 3D optical metal structures is now an obstacle due to the limitation by traditional planar technology, and the orientation of 3D structures can not be controlled flexibly, thus restricts the fundamental and application research. We propose a new technique for the fabrication of folded 3D metal/dielectric structures based on suspended dielectric film with 2D metal patterns on it, which can be folded by energetic beam of particles. This can control the orientation of 3D structure freely and prevent shortcut between 3D structures and substrates, providing effective approach for diversity optical modulation. The interaction process between beam of particles and dielectric films will be studied systematically in order to explain the mechanism of shape manipulation of 3D structures. The effect of spatial orientation and structure combination on surface plasmon, localized field enhancement and coupling between light and other physical quantities will also be studied by optimizing the parameters of 3D composite structures. This can help to explain the coupling mechanism between different response modes on 3D structures, obtain optimized light modulation properties, and for the preparation of optical devices including sensors with high sensitivity, 3D light interconnection and active devices.

三维光学结构具有较大的可调控自由度，在与光相互作用过程中表现出比二维结构更多的新奇特性，但受到传统平面工艺的限制，目前金属三维光学结构的制备较为困难且空间取向不能灵活控制，严重制约了其基础和应用研究进展。针对这些问题，本项目提出折叠式三维金属/介质复合结构的加工新方法，以自支撑绝缘介质薄膜及其上面二维金属结构为载体，利用载能粒子束扫描方法制备出折叠式三维金属/介质结构，能够有效解决三维金属结构难以自由空间取向和三维金属结构与衬底之间导通等难题，为多样性的光学调控研究提供了可靠的技术途径。本项目拟研究粒子束与介质材料的相互作用及对其形变的控制过程，通过优化三维金属/介质复合结构参数，研究不同空间取向、图形组合对表面等离激元共振、局域场增强、光与多物理量耦合的影响，阐明三维光学结构中各种响应模式之间的耦合机制，获得最佳的光学调控特性，探索高灵敏度光学探测、三维光互联和主动控制等新型光学器件。

与二维光学结构相比，三维结构具有一个额外的维度，因此其构型更加灵活多变，在与光的相互作用过程中表现出比二维结构更多的新奇特性。然而受限于传统的平面工艺，三维结构的制备也比二维结构更加困难。本项目突破平面工艺的限制，利用聚焦离子束诱导的折叠加工工艺，以自支撑绝缘介质薄膜及其上面二维金属结构为载体，制备出了空间构型高度自由的折叠式三维金属/介质结构，获得了高品质因子、多种耦合机制、多种共振模式的光学超材料。.本项目设计并制备了三维金属/介质超材料结构，研究了其与不同偏振/自旋光的多种耦合共振机理，主要研究结果归纳如下：.1. 三维折叠金属超材料共振模式的研究：深入研究了金属开口谐振环（SRR）结构与光相互作用的方式，发现了电激发和磁激发的共同作用；研究了直立部分与平面部分之间的耦合关系，发现主要是电导耦合起作用；分析了随着SRR臂长变化，法诺共振的多个模式相互耦合，导致了拉比劈裂的现象。.2. 高品质因子环磁偶极超材料：获得了两种环磁偶极超材料，其一是成功制备出了完整的金属SRR附着在直立氮化硅薄片上的三维复合结构，实现了高品质因子（20.78）的环磁共振响应，并通过调整入射角度，实现了Tz辐射分量的最大化；其二是利用金属折叠工艺制备出了一种对称开口的直立SRR超材料，并观察到了在红外波段同时存在两个环磁共振。该共振是由表面等离激元的倏逝波分量所间接激发，品质因子最高可达26。.3. 具有自旋光选择性的手性折叠超材料：利用金属/介质复合结构的折叠工艺，制备出了具有手性特征的三维结构，实现了不同自旋光分量的透过/吸收效应，光二色性系数达到0.7，最大透过率达到92%。此外，该手性特征可以通过结构的倾斜角度来调控，具有极高的灵活性和广阔的应用前景。.以上研究对理解光与三维超材料结构的相互作用机理，实现高灵敏传感器、光调制器、等离激元激光等具有重要意义。