CN113484943B - 一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器 - Google Patents

一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于超材料技术领域，公开了一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，全介质超表面结构阵列包括若干个全介质超表面单元结构，且周期性地排列在基底上；全介质超表面单元结构包括三个矩形块；第一矩形块的长边与X轴负方向之间形成第一夹角，第二矩形块与第三矩形块分别设置在第一矩形块的两侧，第二矩形块的长边、第三矩形块的长边分别垂直于第一矩形块的长边，第二矩形块与第三矩形块关于全介质超表面单元结构的中心点呈180°旋转对称；第二矩形块、第三矩形块的中心长轴与第一矩形块中心长轴的垂直平分线之间的距离相等。本发明可以在近红外波段激发出高Q值法诺共振，实现高品质因数全介质超表面折射率传感。

Description

一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器
技术领域
本发明属于超材料技术领域，更具体地，涉及一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器。
背景技术
目前，高品质因子(Q)的光学谐振腔在高性能传感、快速响应开关、单光子发射等方面都具有潜在的广泛应用，其已经成为微纳光子器件领域的重要研究方向之一。其中，法诺共振通过两种不同共振模式的耦合，减小远场的辐射损耗，是提高谐振Q值的一种常用方法。近年来，由于超材料/超表面的设计简单、性能优异等特点，越来越多的研究者致力于利用超材料/超表面来实现高Q值的法诺共振。
然而，法诺谐振的Q值往往受到欧姆损耗和辐射损耗的影响。目前，利用超表面结构产生环偶谐振的研究大多数集中在太赫兹波段，且采用较为复杂的金属结构，存在较大的辐射损耗，由其激发的法诺共振的Q值较低。
相比于太赫兹波段，近红外波段结构容易集成，成本较低。如何设计出一种基于全介质超表面结构的传感器以在近红外波段实现高Q值法诺共振，是本领域需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全新的全介质超表面传感器，可以在近红外波段激发出高Q值法诺共振，实现高品质因数全介质超表面折射率传感。
本发明提供一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，包括：基底和全介质超表面结构阵列；
所述全介质超表面结构阵列包括若干个全介质超表面单元结构，若干个所述全介质超表面单元结构周期性地排列在所述基底上；
所述全介质超表面单元结构包括第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块；所述第一矩形块的长边与X轴负方向之间形成第一夹角，所述第二矩形块与所述第三矩形块分别设置在所述第一矩形块的两侧，所述第二矩形块的长边、所述第三矩形块的长边分别垂直于所述第一矩形块的长边，所述第二矩形块与所述第三矩形块关于所述全介质超表面单元结构的中心点呈180°旋转对称；
所述第一矩形块的中心长轴的垂直平分线与所述第二矩形块的中心长轴之间的距离为第一距离，所述第一矩形块的中心长轴的垂直平分线与所述第三矩形块的中心长轴之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。
优选的，所述第一矩形块具有第一长度、第一宽度、第一厚度；所述第二矩形块与所述第三矩形块的尺寸相同，所述第二矩形块具有第二长度、第二宽度、第二厚度；所述第一厚度与所述第二厚度相同。
优选的，所述第一夹角的取值范围为30°-150°。
优选的，所述全介质超表面单元结构沿X轴和Y轴的排布周期相等，所述排布周期的取值范围为500-1000nm。
优选的，所述第一距离的取值范围为80-150nm。
优选的，所述第一长度的取值范围为550-1050nm，所述第一宽度的取值范围为50-150nm，所述第二长度的取值范围为180-250nm，所述第二宽度的取值范围为80-200nm，所述第一厚度的取值范围为15-120nm。
优选的，所述全介质超表面单元结构采用硅材料制备而成。
优选的，所述基底的材料为玻璃。
优选的，通过调节所述排布周期以调节所述全介质超表面传感器的工作波长。
优选的，所述全介质超表面传感器的工作波长的范围为720-1450nm。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，在基底上周期性地放置由三个矩形块组成的全介质超表面单元结构，在谐振波长处激发的环偶极子谐振能够大大降低辐射损耗，利用全介质超材料代替金属超材料可以减少欧姆损耗，本发明可以在近红外波段激发出高Q值法诺共振，实现高品质因数全介质超表面折射率传感。本发明结构设计简单、易于加工，在化学生物传感等方面有重要的应用场景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器中全介质超表面单元结构的三维示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器中全介质超表面单元结构的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器的三维示意图与光谱测量示意图；
图4为正入射平面波的透射谱、反射谱和吸收谱；
图5为散射能量的多级分解结果图；
图6为折射率传感测试图。
其中，1-基底、2-全介质超表面单元结构。
具体实施方式
利用全介质超材料代替金属超材料可以减少欧姆损耗，利用全介质结构内部激发谐振的耦合能够尽可能地减小辐射损耗。具体的，介质材料内部存在着电偶/多极子响应、电偶/多极子响应、和环偶/多极子响应，偶极子为多极子的基本组成部分，相比于电偶极子和磁偶极子，环偶极子由相反方向的循环电流产生的相反方向的磁偶极子激发，在激发环偶极子谐振的过程中，电场和磁场都被限制在结构内部，能够尽可能地减小辐射损耗。因此可以利用全介质超表面结构激发环偶谐振以减小欧姆损耗和辐射损耗、提高法诺共振Q值。
基于上述考虑，本发明提出一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，以在近红外波段激发出高Q值法诺共振，实现高品质因数全介质超表面折射率传感。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，包括：基底和全介质超表面结构阵列；所述全介质超表面结构阵列包括若干个全介质超表面单元结构，若干个所述全介质超表面单元结构周期性地排列在所述基底上。
所述全介质超表面单元结构包括第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块；所述第一矩形块的长边与X轴负方向之间形成第一夹角，所述第二矩形块与所述第三矩形块分别设置在所述第一矩形块的两侧，所述第二矩形块的长边、所述第三矩形块的长边分别垂直于所述第一矩形块的长边，所述第二矩形块与所述第三矩形块关于所述全介质超表面单元结构的中心点呈180°旋转对称；所述第一矩形块的中心长轴的垂直平分线与所述第二矩形块的中心长轴之间的距离为第一距离，所述第一矩形块的中心长轴的垂直平分线与所述第三矩形块的中心长轴之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。
其中，所述第一矩形块具有第一长度、第一宽度、第一厚度；所述第二矩形块与所述第三矩形块的尺寸相同，所述第二矩形块具有第二长度、第二宽度、第二厚度；所述第一厚度与所述第二厚度相同。
所述第一夹角的取值范围为30°-150°。所述全介质超表面单元结构沿X轴和Y轴的排布周期相等，所述排布周期的取值范围为500-1000nm。所述第一距离的取值范围为80-150nm。所述第一长度的取值范围为550-1050nm，所述第一宽度的取值范围为50-150nm，所述第二长度的取值范围为180-250nm，所述第二宽度的取值范围为80-200nm，所述第一厚度的取值范围为15-120nm。
下面对本发明做进一步的说明。
参见图1至图3，本发明提供的一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器包括基底1与全介质超表面结构阵列，所述全介质超表面结构阵列包括若干个全介质超表面单元结构2，若干个所述全介质超表面单元结构2周期性地排列在所述基底1上。具体的，若干个所述全介质超表面单元结构2按照正方晶格周期性排列在所述基底1上，且所述全介质超表面单元结构2的水平周期与垂直周期大小相等。
其中，所述基底1采用玻璃材料制成，所述全介质超表面单元结构2使用硅材料制备，硅材料包括单晶硅、非晶硅、多晶硅。所述全介质超表面单元结构2包括第一矩形块(即图1中的矩形硅块A)、第二矩形块(即图1中的矩形硅块B1)和第三矩形块(即图1中的矩形硅块B2)，所述矩形硅块B1和所述矩形硅块B2关于所述全介质超表面单元结构的中心点呈180°旋转对称。也可以理解为，所述全介质超表面单元结构2关于所述全介质超表面单元结构的中心点呈180°旋转对称。所述矩形硅块A的长边与X轴负方向之间形成的第一夹角θ的取值范围为30°-150°，所述矩形硅块B1和所述矩形硅块B2分别在所述矩形硅块A的两侧，并分别垂直于所述矩形硅块A放置。所述矩形硅块B1、所述矩形硅块B2的中心长轴与所述矩形硅块A中心长轴的垂直平分线之间的距离H相等，H的取值范围为80-150nm。
本发明采用三个矩形块的设计使得结构较为简单，易于制备；由于不对称结构更容易激发高Q的法诺共振，因此本发明设计了类X型结构。此外，通过时域有限差分方法测量平面波通过特定类X结构，其透射谱中确实存在法诺共振；通过分析不同波长处的电流分布分析谐振模式，得到本发明的具体结构。
所述全介质超表面单元结构2沿X轴方向的周期与沿Y轴方向的排布周期相等，且所述排布周期的范围在500-1000nm，所述矩形硅块A的长度a的取值范围为550-1050nm，所述矩形硅块A的宽度b的取值范围为50-150nm。所述矩形硅块B1与所述矩形硅块B2的大小完全相同，所述矩形硅块B1的长度L1的取值范围为180-250nm，所述矩形硅块B1的宽度L2的取值范围为80-200nm。所述矩形硅块A、所述矩形硅块B1和所述矩形硅块B2的厚度t均相等，且所述厚度t的取值范围为15-120nm。
入射光照射至本发明提供的全介质超表面传感器，通过入射平面波激发具有较大的辐射损耗电偶极子谐振，电偶极子谐振在法诺共振中充当明模式；电偶谐振形成的感应电流穿过全介质超表面传感器，形成了沿Z轴的不同方向的磁矩，从而形成了较小辐射损耗的环偶极子谐振，环偶极子谐振在法诺共振中充当暗模式。通过明暗模的干涉作用增强了全介质超表面单元结构周围局域电场强度，从而在透射光谱中可以观察到一个半高全宽极窄的透射谷。
下面结合具体的参数对本发明做进一步的说明。
参见图3，所述基底1的长度方向为X轴方向，所述基底1的宽度方向为Y轴方向，所述基底的厚度方向为Z轴方向。所述全介质超表面单元结构2沿X轴方向的排布周期与沿Y轴方向的排布周期相等，所述排布周期P的大小为600nm。
参见图2，所述矩形硅块A的长边与X轴负方向之间形成的第一夹角θ的取值为60°，所述矩形硅块A的中心长轴的垂直平分线与所述矩形硅块B1的中心长轴之间的距离为第一距离，所述矩形硅块A的中心长轴的垂直平分线与所述矩形硅块B2的中心长轴之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等均记为H，且距离H为80nm。所述矩形硅块A的长度a的取值为650nm，所述矩形硅块A的宽度b的取值为60nm。所述矩形硅块B1的长度L1的取值为190nm，所述矩形硅块B1的宽度L2的取值为100nm。所述矩形硅块A、所述矩形硅块B1和所述矩形硅块B2的厚度t的取值为20nm。通过上述结构(即全介质超表面结构阵列)可以得到Q值为17086的高Q法诺共振。
本发明使用时域有限差分方法模拟入射电磁波与全介质超表面结构阵列的相互作用，其光谱测量示意图如图3所示。在仿真计算过程中，X轴方向和Y轴方向设置为周期性边界条件，Z轴方向即所述基底1的厚度方向设置为完美匹配层，所述全介质超表面单元结构2的周围物质(在实际应用过程中，通过在全介质超表面单元结构上滴加不同折射率的液体，测量折射率的传感性能)的折射率n＝1.45，入射电磁波设置为X方向偏振的平面波，沿Z轴负方向入射。
通过上述仿真条件的设置计算正入射平面波的透射反射和吸收光谱，其结果如图4所示。通过谐振的激发将电场局域在全介质超表面结构阵列的周围，从而在透射光谱中可以观察到一个明显的谐振谷，在反射谱和吸收谱中可以观察到一个明显的谐振峰。经计算，该法诺谐振的Q值为17086。
为了更清楚地理解该法诺共振的激发机理，通过对散射功率分解，得出各谐振的散射功率分量，其结果如图5所示，其中，Ip代表电偶极子的散射能量，Im代表磁偶极子的散射能量，It代表环偶极子的散射能量，IQe代表电四极子的散射能量，IQm代表磁四极子的散射能量。由图5可以看出，在谐振波长处，环偶极子在散射功率中占主导地位；在非谐振波长处，电偶极子在散射功率中占主导地位。这就说明在电偶极子与环偶极子的耦合作用下，形成了法诺共振。
为了验证本发明提供的全介质超表面传感器的折射率传感性能，通过改变结构周围环境的折射率，观测正入射平面波的透射谱线的谐振波长的偏移，从而计算出全介质超表面结构阵列该结构的折射率传感的灵敏度(S)和品质因数(FOM)。具体的，结构的传感性能的计算结果如图6所示，周围介质的初始折射率为nl＝1.445，并以0.002为一个单位逐渐增加到n2＝1.455，随着周围介质折射率的逐渐增加，透射谱线逐渐发生红移，谐振波长由870.5nm增加到873.5nm。通过计算透射谱谐振波长偏移量Δλ以及折射率变化量Δn，可计算出折射率传感的灵敏度
Figure BDA0003135941860000061
通过计算透射谱的平均半高全宽(FWHM)为0.051nm，可以计算出折射率传感的品质因数
Figure BDA0003135941860000062
上述计算结果说明本发明利用法诺共振形成了高Q谐振谷，具备高品质因数。
此外，本发明可以通过改变结构参数使得全介质超表面传感器的工作波长处于多个波段，不同的全介质超表面单元结构的排布周期对应的谐振波长如表1所示。
表1不同的全介质超表面单元结构的排布周期对应的谐振波长
周期大小(nm) 中心波长(nm)
500 727
600 87l
700 1020
800 1163
900 1300
1000 1453
当全介质超表面单元结构的排布周期的具体参数改变时，可以使全介质超表面传感器中心波长的范围在720-1450nm变化，可调谐的工作波长使得传感器更有利于实际应用。
综上所示，本发明提供了一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，其Q值可达17086，在近红外波段其折射率传感品质因数可达5921；此外，可以通过改变结构参数使其工作波长可调谐。本发明具有易制备、体积小、成本低、品质因数高，工作波段可调等突出特点，满足了液体、气体、生物分子检测等实际应用中的测量需要，具有十分广阔的应用前景。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，其特征在于，包括：基底和全介质超表面结构阵列；
所述全介质超表面结构阵列包括若干个全介质超表面单元结构，若干个所述全介质超表面单元结构周期性地排列在所述基底上；
所述全介质超表面单元结构包括第一矩形块、第二矩形块和第三矩形块；所述第一矩形块的长边与X轴负方向之间形成第一夹角，所述第二矩形块与所述第三矩形块分别设置在所述第一矩形块的两侧，所述第二矩形块的长边、所述第三矩形块的长边分别垂直于所述第一矩形块的长边，所述第二矩形块与所述第三矩形块关于所述全介质超表面单元结构的中心点呈180°旋转对称；
所述第一矩形块的中心长轴的垂直平分线与所述第二矩形块的中心长轴之间的距离为第一距离，所述第一矩形块的中心长轴的垂直平分线与所述第三矩形块的中心长轴之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等；
所述全介质超表面单元结构沿X轴和Y轴的排布周期相等，所述排布周期的取值范围为500-1000nm；所述第一夹角的取值范围为30°-150°，所述第一距离的取值范围为80-150nm；
所述第一矩形块具有第一长度、第一宽度、第一厚度；所述第二矩形块与所述第三矩形块的尺寸相同，所述第二矩形块具有第二长度、第二宽度、第二厚度；所述第一厚度与所述第二厚度相同；
所述第一长度的取值范围为550-1050nm，所述第一宽度的取值范围为50-150nm，所述第二长度的取值范围为180-250nm，所述第二宽度的取值范围为80-200nm，所述第一厚度的取值范围为15-120nm。
2.根据权利要求1所述的激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，其特征在于，所述全介质超表面单元结构采用硅材料制备而成。
3.根据权利要求1所述的激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，其特征在于，所述基底的材料为玻璃。
4.根据权利要求1所述的激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，其特征在于，通过调节所述排布周期以调节所述全介质超表面传感器的工作波长。
5.根据权利要求1所述的激发环偶极子法诺共振的全介质超表面传感器，其特征在于，所述全介质超表面传感器的工作波长的范围为720-1450nm。
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