基于连续谱束缚态的高Q太赫兹全介质超表面

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子Q谐振,提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析,并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响,给出了该BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。结果表明,在3.0THz左右实现了一个可调高Q环偶极Fano谐振;本征模式的分析计算结果与入射电磁波模式的分析计算结果对称性不匹配,该超表面支持的是一个对称保护BIC。此研究为基于BIC的高Q超材料在超低阈值激光器件、非线性光学谐波产生及高灵敏度传感等领域的应用提供了理论参考。

一种基于Fano共振的全介质超表面折射率传感器

提出了一种以'双C'形硅纳米天线为基本单元的全介质超表面折射率传感器。介绍了法诺(Fano)共振的原理,通过建立法诺共振解析模型,解释了该传感器反射率谱曲线不对称线型形成的物理机制。用电磁仿真软件对介质超表面进行了数值仿真,仿真结果显示该超表面用作折射率传感器时具有较高的灵敏度、Q因子与FOM值,分别达到228nm/RIU、1 162与243。

全介质超表面中的手性太赫兹响应

基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应,难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩,进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩,从而引发了自旋选择的后向电磁辐射,进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统,测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路,有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。

全介质超表面的研究进展与展望

随着光器件向纳米尺度发展,在纳米尺度内实现光的操控,对于小型化光学器件、构建纳米尺度的集成光路具有重要意义。全介质超表面在次波长尺度内可以实现波的振幅、相位和极化方式的控制,吸引越来越多研究者的关注,很多基于全介质超表面的光学元件被提出。详细介绍了几种重要类型全介质超表面的实现方式、及其功能和应用,并对全介质超表面的发展做了简单的展望。全介质超表面在光频段有很强的电响应和磁响应,及较小的能量损耗,为平面、超薄的光学设备提供了强大的平台。

基于Fano共振的全介质超表面双参数传感器

与金属超表面相比,全介质超表面具有较低的欧姆损耗和较尖锐的共振峰。提出了一种基于“θ”形全介质硅超表面的双参数传感器。通过增加空孔破坏周期单元结构的对称性,从而产生两个Fano共振峰,其中第一个Fano共振峰为连续域中的准束缚态(QBIC),两个峰的光谱对比度分别为71.4%和99.4%。利用商用多物理场仿真软件COMSOL对该超表面周期结构进行模拟仿真,结果表明,传感器在两个Fano共振峰处的折射率传感灵敏度分别为278.9 nm·RIU-1和230.0 nm·RIU^(-1),优值(FOM)最大为9387,品质因子(Q)最大为9735。本传感器能够同时实现折射率和温度的双参数测量,仿真结果显示两个共振峰的温度传感灵敏度分别为18.86 pm·℃^(-1)和42.71 pm·℃^(-1)。

基于全介质超表面的微流体折射率传感器

基于全介质超材料的电磁属性,提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置;利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟,仿真结果表明,该结构可以产生三重Fano共振,包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外,分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响,得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36nm/RIU,品质因数Q最大可达到1252.3,并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。

基于全介质超表面高Q的双带太赫兹传感器

设计了一种由连续域束缚态控制的高灵敏度太赫兹折射率传感器。该传感器由全介质光栅构成,通过平移打破结构的对称性,可以将共振转变为高品质因子(Q因子)泄漏模共振,且线宽极窄腔模式对周围介质的折射率变化非常敏感。利用有限元方法,数值模拟了具有不同非对称参数、光栅厚度、光栅宽度以及折射率分析物的透射光谱。结果表明,该光栅超表面的Q因子达到12620,标准灵敏度为31395 nm/RIU,FOM(Figure of merit)为1000,在太赫兹范围内的高灵敏光子传感器领域具有潜在的应用。

基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜

本文提出了一种基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜,它可以高效率地将线偏光转换为径向偏振光,并且同时实现贝塞尔聚焦。在线偏振光入射下,利用非对称光子自旋轨道相互作用对线偏振光左右旋分量进行独立调控,最后通过自旋重组同时实现偏振转换和波前调控。在波长为532 nm处,数值孔径NA=0.9,超透镜实现了超越衍射极限聚焦焦斑。该项研究在粒子加速和超分辨率成像方面具有潜在的应用价值。

基于全介质纳米圆柱孔超表面的传感特性研究

提出了一种由圆柱纳米孔阵列组成的全介质超表面折射率传感器,通过平移纳米孔引入结构单元的面内对称性破坏,非对称的介质纳米孔阵列可以实现由电四极子(EQ)激发的具有高品质因数(Q值)的准连续域束缚态(BIC)共振模式。从理论上分析了结构非对称参数与Fano共振的辐射Q值之间的关系,证明了该模式为对称保护BIC模式,并进行近场分析和多极分解,证明了EQ在共振模式中占主导作用,同时分析了结构参数对Fano共振的影响,并计算了介质折射率的光谱响应,得到结构的灵敏度可达512 nm/RIU(折射率单元)、Q值为2568.7、优质因数(FOM)为760,所提结构在近红外范围内的高灵敏生物传感器领域具有潜在的应用价值。

基于全介质的超表面谐振器热发射相干性研究

以六方碳化硅(4H-SiC)全介质谐振器为例,借助椭圆偏振实验与有限元电磁模拟系统地研究了温度与结构几何周期对其相干热发射的影响机制。研究结果表明:高温削弱了4H-SiC晶体的介电极化与超表面的相干热发射,而几何周期正向影响表面波传输模的激发与耦合强度,从而影响发射率的空间相干性;二者主要通过改变表面波有效传输长度来调节热发射的相干性。此外,全介质超表面谐振器的高Q值对温度与结构周期有很强的依赖性。所得结果可为相关极化超表面谐振器件在热发射调控领域的应用提供参考。

基于Fano共振超表面的多功能传感器设计

基于Fano共振超表面所具有的高品质因数Q以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构,探究了超表面结构参数与品质因数Q、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重Fano共振至双重Fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆柱超表面结构的灵敏度,选择矩形柱结构并确定其最优参数。矩形柱超表面结构的品质因数Q最大可达3408,双重Fano共振峰的调制深度接近99%。通过仿真计算可知该结构对甲烷体积分数的测量灵敏度可以达到1.57 nm/%(对应dip1)和1.66 nm/%(对应dip2),对背景折射率的测量灵敏度为419.45 nm/RIU和395.7 nm/RIU,FOM(figure of merit)值分别为524.3 RIU-1和542.8 RIU-1。此外,入射光偏振角度对此传感结构的Fano共振透射光谱强度具有一定影响,这一特性为光学非对称传输、偏振角检测以及超表面多功能复用等提供了新思路。

基于双准偶然连续体束缚态模式的传感与慢光研究

近年来,光学超表面中的连续体束缚态(BIC)因其独特的性质而受到了广泛的关注。为了研究两个准偶然连续体束缚态(A-QBIC)模式之间相互作用诱导的新颖光学现象,提出一种方形纳米孔阵列全介质超表面。结果表明,在x偏振光和y偏振光入射时能实现A-BIC现象,尤其在45°偏振光入射下可实现两个A-QBIC模式间的相互作用。利用能带理论和多极展开理论对A-QBIC模式进行分析,发现这两种模式均由环形偶极模式主导。重要的是,基于A-QBIC模式的高Q值特性,能够构建高灵敏度折射率传感,同时利用两个A-QBIC模式间具有灵活调谐度的相互作用特性,还能够实现类电磁诱导透明和可调的慢光。研究结果可为基于A-QBIC的高Q超构器件在高灵敏度折射率传感及慢光等领域的应用提供理论参考。