CN112332101A - 实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，包括基底以及在基底上周期排列的介质单元，每个介质单元中设置有竖直空腔和水平空腔，竖直空腔和水平空腔互相垂直并连通，构成十字空腔，所述十字空腔为非对称结构。本发明的全介质非对称十字空腔单元结构超材料的突出特点是每一个结构单元都由介质空腔组成。相对金属超材料，没有欧姆损耗带来的热效应，该超材料可以获得较高的透射率和品质因子。该超材料的透射谱线表明，在特定方向上打破结构对称性后会出现EIT现象。相对于金属超材料的高损耗，十字空腔超材料结构通过在特定方向上打破结构对称性，可以在EIT透射峰处实现93％的高传输率和1064的品质因子。

Description

实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料
技术领域
本发明属于超材料技术领域，特别涉及一种具有电磁诱导透明现象的超材料。
背景技术
电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency，简记为EIT)现象最早发现于量子系统，指由于多能级原子系统与外加电磁场之间的量子相消干涉效应，使得材料对电磁波的透射系数发生改变的现象。在材料的EIT透射峰中所观察到的高折射率等特性在慢光、非线性光学、传感器等领域拥有巨大的应用潜力。由于超材料的独特性质、电磁波与超材料的相互作用，在可见光波段、太赫兹波段和微波波段均可用超材料实现EIT现象。超材料中的EIT现象可以在常温中实现，并且更加稳定，显著提高了其应用性。此外，通过改变石墨烯的费米能级，人们实现了石墨烯超材料EIT现象的可调性。超材料实现EIT现象的本质是两个不同通道所激发的不同品质因子的谐振在同一频率发生了干涉相消。
大部分超材料实现EIT现象的工作都采用金属结构，因为金属结构可以实现表面等离激元共振(surface plasmon resonance，简记为SPR)和Fano共振。而金属结构超材料中SPR只能集中在金属表面，由于欧姆损耗的存在不可避免会有巨大的能量损失。这限制了金属超材料实现高透射率和高品质因子。金属超材料EIT透射峰的品质因子很难达到百的数量级。高品质因子谐振的超材料在滤波、超高灵敏度传感等器件设计中具有重要意义。近年人们发现非金属材料(如硅，石英等)超材料也可以被用于实现EIT现象，为解决超材料能量损失问题提供了一个很好的替代解决方案。介质超材料实现的EIT现象是由Mie共振产生，可支持电偶极和磁偶极。由于没有欧姆损耗，全介质超材料EIT透射峰的品质因子在实验中达到了600，在理论中可以达到几百甚至更高。
目前全介质超材料结构设计多为介质环、介质棒。通过全介质空腔来实现EIT现象和高品质因子的超材料研究目前尚未报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，实现EIT现象和高品质因子。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，包括基底以及在基底上周期排列的介质单元，每个介质单元中设置有竖直空腔和水平空腔，竖直空腔和水平空腔互相垂直并连通，构成十字空腔，所述十字空腔为非对称结构。
所述竖直空腔相对于介质单元的竖直中心线有偏移。
所述介质单元的材质为硅，基底的材质为石英。
所述全介质非对称十字空腔单元结构超材料在光吸收开关、慢光器件、传感器中的用途。
有益效果：相比于现有技术，本发明的全介质非对称十字空腔单元结构超材料的突出特点是每一个结构单元都由介质空腔组成。相对金属超材料，没有欧姆损耗带来的热效应，该超材料可以获得较高的透射率和品质因子。该超材料的透射谱线表明，在特定方向上打破结构对称性后会出现EIT现象。相对于金属超材料的高损耗，十字空腔超材料结构通过在特定方向上打破结构对称性，可以在EIT透射峰处实现93％的高传输率和1064的品质因子。
由于本发明的全介质非对称十字空腔单元结构超材料的EIT现象，该超材料在全光控制的光吸收开关、慢光器件、传感器等方面有潜在的应用价值。
附图说明
图1为对称十字空腔超材料的单元结构示意图；
图2为对称十字空腔超材料的透射谱线；
图3为非对称十字空腔超材料的单元结构示意图；
图4为两种不同方向上打破结构对称性后，十字空腔超材料透射谱线；
图5为当偏移量S1＝10nm时，单独改变超材料几何结构对透射谱线的调控特性，其中(a)为水平空腔长度g变化，(b)为竖直空腔长度f变化，(c)为空腔宽度e变化，(d)为空腔厚度h1变化；
图6为偏移量S1＝10nm时，EIT谐振频率处电磁场图，其中(a)为329.28THz、(c)为329.82THz和(e)为330.36THz处的x-y平面电场分布；(b)为329.28THz、(d)为329.82THz和(f)为330.36THz处的x-z平面磁场分布；
图7为偏移量S2＝10nm、S1＝0nm时，谐振峰329.9THz处电磁场分布；其中(a)为x-y平面电场分布；(b)为x-z平面磁场分布；
图8为偏移量S1变化时的超材料透射谱线；
图9为EIT透射峰处透射率和品质因子随着偏移量S1变化关系；
图10为相位、群折射率与入射波频率之间的关系；其中(a)为相位，(b)为群折射率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
为了便于对本发明进行说明，首先设计一个十字空腔型的谐振器，空腔材料是硅(ε＝11.9)。为了研究谐振结构的电磁响应，本发明利用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，简记为FDTD)来进行仿真计算。x、y方向均采用周期边界条件来仿真实验中周期排列的超材料样品。图1表示沉积在石英基底(ε＝2.25)上的完全对称十字空腔超材料的几何结构，每个超材料单元中设置有竖直空腔和水平空腔，竖直空腔和水平空腔互相垂直并连通，构成十字空腔，十字空腔为非对称结构。几何参数如下：水平方向周期a＝580nm，竖直方向周期b＝620nm，硅空腔宽度e＝125nm，硅空腔厚度h1＝36nm，基底厚度h2＝200nm，硅水平空腔长度g＝395nm，硅竖直空腔长度f＝345nm。当电磁波传输方向沿着z轴负方向，电场方向沿竖直方向(y轴)时，在透射谱上可以清楚地观察到谐振响应。完全对称十字空腔的透射谱线如图2所示，可以发现该对称十字空腔超材料的谐振频率为329.8THz，但没有产生EIT现象。
要实现超材料EIT现象需要激发亮、暗两种模式，通常有两种方案。第一种：由超材料中不同部分分别提供亮、暗两种模式，且两种模式谐振频率相同。第二种：打破结构的对称性引入所需要的暗模式。要研究十字空腔结构如何产生EIT现象，首先考虑第一种方案。当多个棒子多层排列或同一层排列时，亮、暗两种模式频率一致，可以产生EIT现象。但若两个相互垂直的空腔独立存在且谐振频率一致，再合成对称十字空腔并不能形成EIT现象，如图2，原因是空腔中间重叠部分必然会对谐振产生影响。因此，只能采用方案二，通过打破结构对称形成EIT。因此，本发明提出的一种全介质非对称十字空腔单元结构超材料，包括基底以及在基底上周期排列的介质单元，每个介质单元中设置有竖直空腔和水平空腔，竖直空腔和水平空腔互相垂直并连通，构成十字空腔，十字空腔为非对称结构，如图3所示，在图1的基础上引入偏移量S1、S2。偏移量S1表示竖直空腔整体水平移动的距离，偏移量S2表示水平空腔整体竖直移动的距离。而当S1、S2均为0nm时，全介质超材料为图1所示的完全对称十字空腔结构。
超材料的EIT现象会出现一个尖锐的透射峰。如图4，实线(S1＝10nm,S2＝0nm)和虚线(S2＝10nm,S1＝0nm)分别表示在两种不同方向上打破结构对称性后，十字空腔超材料透射谱线，由图4可以看出，只有在特定方向打破结构对称性才能产生EIT现象。当竖直空腔整体水平移动S1为10nm且水平空腔不动(S2＝0nm)时，在两个透射谷之间出现一个窄的透射峰，即出现了EIT现象。两个透射谷频率分别在329.28THz、330.36THz，所设计的超材料EIT透射峰(谐振峰)在329.82THz，透射效率达到93％。半峰之间的频率宽度Δf＝0.31THz，所以品质因子Q＝fmax/Δf＝1064。该EIT光谱线型在与光学吸收相关的生物传感、基于表面增强拉曼散射效应、以及全光控制的光吸收开关等方面有潜在应用。而当水平空腔整体竖直移动距离S2为10nm且竖直空腔不动(S1＝0nm)时，其谐振频率为329.9THz，与十字对称结构相比谐振频率几乎没变化。由于只改变偏移量S2没有EIT现象产生。故下文的分析中，如没有特别指出均默认偏移量S2为0nm，只改变偏移量S1。
图5给出了偏移量S1＝10nm时，超材料几何结构参数变化对EIT现象透射谱线的调控特性。从图5中可以看出，随着水平空腔长度g、垂直空腔长度f和空腔宽度e增加，透射峰会向高频移动；而随着空腔厚度h1增加，透射峰会向低频移动。当所设计的超材料选择g＝395nm、f＝345nm、e＝125nm和h1＝36nm为几何参数时，EIT透射峰较为对称，且透射率较高。同时，其它几何尺寸下，透射窗口中也出现了透射峰，也产生了部分干涉的EIT现象，为相关器件制备提供了容错空间。但其透射峰左右不对称，趋向于两个谐振频率不同的独立分谐振叠加所形成。
进一步分析改变竖直空腔偏移量S1会出现EIT现象，而改变水平空腔偏移量S2不会出现EIT现象的物理机理。金属材料超材料实现EIT现象的论文中，常用表面电流来解释。但本文采用的是高折射率介质材料，相对于金属超材料，虽然避免了欧姆损耗，却无法用表面电流来解释。介质超材料结构中EIT现象是由Mie共振产生，谐振频率处出现电场或磁场的环流。
首先分析偏移量S1＝10nm，S2＝0nm时，EIT谐振频率下不同截面的电磁场图。图6中(a)、(c)、(e)给出的是电场在x-y平面的分布图，图中可以观察到电场环流。因为采用空腔结构和超材料的周期性，所以其电场环流生成位置为竖直方向空腔结构边缘处。图6中(a)和图6中(e)发现频率为329.28THz、330.36THz(对应EIT透射谷)时，电场分别局域在空腔的中左侧、中右侧。由图6中(c)发现，频率为329.82THz(对应EIT透射峰)时电场局域在空腔左右两侧，腔中部电场较弱。图6中(b)、(d)、(f)给出的是磁场在x-z平面的分布图。图6中(b)和图6中(f)发现频率为329.28THz、330.36THz(对应EIT透射谷)时，磁场同时在基底和水平方向空腔结构边缘处出现环流。由图6中(d)发现，频率为329.82THz(对应EIT透射峰)空腔边缘处磁场环流消失，基底磁场环流由一个变成两个，形成磁偶极子。
图7给出了偏移量S2＝10nm、S1＝0nm时的电磁场分布图。电场在x-y平面的分布如图7中(a)所示，与图6中的电场分布相比，水平空腔竖直移动只能在竖直空腔上下端出现电场局域，而无法在水平空腔左右两端产生电场的局域。磁场在x-z平面的分布如图7中(b)所示，与图6中(d)中的EIT透射峰的磁场分布相比，无磁偶极子。这是水平空腔竖直移动虽然打破结构对称性，却无法产生EIT谐振的原因。当然根据旋转对称性，若将入射光的偏振方向旋转90°并调整几何结构尺寸，当偏移量S2不为0nm时，该十字空腔结构也将出现EIT现象。
通过上文分析，非对称十字空腔打破结构对称性时，偏移量S1是影响EIT效应的主要因素。图8显示了随着偏移量S1变化的超材料透射谱线。可以看出打破结构对称性后，开始出现EIT现象，并且随着偏移量S1增加，EIT峰变得越来越宽。
通过分析从对称到不对称结构变化(偏移量S1从5nm变化到60nm)，来确定如何选择偏移量S1，所产生的EIT现象透射峰品质因子和透射强度综合考虑最佳。根据图9，当偏移量S1增加时，透射峰处透射率增大并在S1＝20nm时趋于饱和，但是随着偏移量S1的增加，透射峰处谐振峰的品质因子却一直在降低。根据图9所示，综合透射峰处的品质因子和透射强度，我们分析在偏移量S1＝10nm时，所设计不对称十字空腔超材料的EIT现象最佳。同时结合图8分析，我们发现偏移量S1较大(如S1＝50nm、60nm)时，已经没有EIT现象了。此时透射谱由两个分立的谐振谷所形成的,但这两个谐振并没有发生明显的干涉相消。这表明虽然两透射谷之间产生的一段宽的透射峰，但其本质不是EIT。结合图5中关于结构几何参数变化的讨论，改变空腔几何参数和偏移量会形成这种类似EIT的现象。由于在实际器件制备中误差不可避免，这能为该结构的实际应用打下基础。
超材料的EIT现象会出现一个尖锐的透射峰，在图4和图8中可以很清楚的观察到。图10中(a)计算了该超材料透射峰附近的相位，可以看出相位变化是非连续的。相位变化与群折射率(n)之间的计算公式如下：
Figure BDA0002753467580000061
公式中的φ代表相位、ω代表角频率、c0代表真空中的光速，a代表电磁波沿着入射方向通过超材料的宽度。相位非连续变化会使群折射率发生变化，如图10中(b)所示。图10中(b)可以观察到在329.8THz附近(对应着EIT透射峰)，群折射率值达到最大为1302。而大的群折射率就代表着电磁波穿过整个超材料所需要的传输时间增加。这表明所设计的非对称十字空腔超材料会引发慢光效应。这使得该新型超材料结构具有潜在的应用价值，可被用于超快开关、慢光器件等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，其特征在于：包括基底以及在基底上周期排列的介质单元，每个介质单元中设置有竖直空腔和水平空腔，竖直空腔和水平空腔互相垂直并连通，构成十字空腔，所述十字空腔为非对称结构。
2.根据权利要求1所述的实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，其特征在于：所述竖直空腔相对于介质单元的竖直中心线有偏移。
3.根据权利要求1所述的实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，其特征在于：所述竖直空腔相对于介质单元的竖直中心线的偏移量为10nm。
4.根据权利要求1所述的实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，其特征在于：所述水平空腔长度g＝395nm、垂直空腔长度f＝345nm、空腔宽度e＝125nm，介质单元的厚度h1＝36nm。
5.根据权利要求1所述的实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料，其特征在于：所述介质单元的材质为硅，基底的材质为石英。
6.权利要求1-5任一所述的实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料在光吸收开关、慢光器件、传感器中的用途。
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