CN117805949A - 产生THz三次谐波的BICs全介质超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5r，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片和紧密贴合于介质基片上表面的介质谐振单元和介质包裹层。本发明能在打破面内介电常数条件下激发具有极高品质因数和极窄共振线宽准连续域束缚态，在非线性光学、纳米激光器和太赫兹功能器件性能的改进方面具有潜在的应用价值。

Description

产生THz三次谐波的BICs全介质超表面
技术领域
本发明属于超材料和非线性光学技术领域，具体涉及产生THz三次谐波的BICs全介质超表面。
背景技术
周期性排列的亚波长平面人工光学微纳结构，即电磁超表面，可以看作是三维电磁超材料的二维平面形式。超表面中形成重复单胞的粒子称为超原子，超原子的几何结构、位置和材料特性可以在任何期望的电磁波谱范围内灵活设计，从而实现对光的振幅、相位、幅度、色散和偏振等特性的有效操控和调制。超表面可以分为基于表面等离激元效应的金属超表面和基于米氏共振响应的全介质超表面两大类。金属超表面利用传导电子的集体振荡，在纳米结构表面或间隙处产生紧束缚的电磁近场增强。然而，金属纳米结构的固有欧姆损耗导致共振的品质因数通常较低，而全介质纳米结构利用近场耦合可以同时激发电和磁响应，从而在超表面内部或表面实现强的电磁共振。由于高折射率介质材料的固有欧姆损耗几乎为零，因此全介质超表面展现出更窄的共振线宽和较高的品质因数，现已成为在亚波长尺度下调控光的一种非凡的光学平台。
连续域束缚态(BICs)是频率位于光锥以上、衍射极限以下的辐射连续域中的一种特殊电磁本征态，即使其频率和动量与自由空间中的模式相匹配，但它们并不向外界辐射能量。连续域束缚态是一种普遍的波现象，现已在电磁波、声波、弹性波和水波等各种波中都观察到。光子晶体和超表面等周期性光学系统由于其任意的结构构造和尺寸依赖的光谱可扩展性，被广泛应用于连续域束缚态的研究。理论上，连续域束缚态是具有零共振线宽或无限高品质因数的非辐射共振态，其只存在于无限大的周期性光学系统中。由于理想的连续域束缚态与自由空间辐射不能发生耦合，因此无法获取真正的连续域束缚态。通过调整系统结构对称性、几何尺寸和入射光的倾斜角度等参数，使得连续域束缚态与远场弱耦合，从而表现为具有高品质因数的尖锐法诺共振，这种具有极窄共振线宽的共振被称为准连续域束缚态或超腔模。准连续域束缚态的共振频率和品质因数取决于系统的非对称量，这为精确控制所需的准连续域束缚态提供了灵活的自由度。利用准连续域束缚态具有的极高品质因数和极窄共振线宽可以极大地增强光与物质的相互所用，现已被探索用于许多前沿尖端应用，如增强激光、超灵敏生化传感、非线性量子效应增强和高次谐波产生等。
发明内容
本发明的目的是提供产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，能在打破面内介电常数条件下激发具有极高品质因数和极窄共振线宽准连续域束缚态，在非线性光学、纳米激光器和太赫兹功能器件性能的改进方面具有潜在的应用价值。
本发明所采用的技术方案是，产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5r，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片和紧密贴合于介质基片上表面的介质谐振单元和介质包裹层。
本发明的特点还在于，
每个所述介质谐振单元均由两个中心位于同一水平线的介质二聚体圆柱组成，介质谐振单元的中点与介质基片的几何中心重叠。
介质基片的材料为石英、氟化镁或蓝宝石中的其中一种。
介质基片的折射率小于2。
介质谐振单元的材料为高折射率材料。
介质谐振单元的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅、砷化镓、砷镓铟中的其中一种。
介质谐振单元的折射率范围为2～4。
介质包覆层的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯或光学液体中的其中一种。
介质包覆层的折射率小于2，介质谐振单元的介电常数大于介质基片和介质包覆层的介电常数以满足高折射率对比度条件。
介质谐振单元中介质二聚体圆柱半径为r，介质谐振单元高度为H＝2.5r，两个介质二聚体圆柱中心之间的距离为d＝2.5r，介质基片的厚度h和介质包覆层的厚度h近似等于超表面的谐振波长λ。
本发明的有益效果是，产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，相较于由金、银、铝等制备的金属超表面，具有几何结构简单，易于制备，不易被氧化或腐蚀等独特优势。此外，相较于传统的通过打破结构对称性以获取准连续域束缚态的方式，打破面内介电常数对称性可以获得更小的不对称量，以至于获得具有更高品质因数和极窄共振线宽的法诺共振，在超灵敏传感、高通滤波、光束整形和非线性谐波等领域具有重要应用前景。本发明基于对称保护型连续域束缚态的全介质二聚体圆柱超表面，在TM偏振的电磁波照射下能够激发准连续域束缚态。通过光生载流子注入、化学掺杂、电光和热光效应等方法在右侧介质圆柱引入介电常数非对称量，从而使由单元结构周期排列构成的基于对称保护型连续域束缚态的全介质超表面能够激发具有极高品质因数的准连续域束缚态，且通过控制介电常数不对称因子大小能够实现共振峰频率和品质因数的主动、灵活调谐。此外，利用本发明中准连续域束缚态共振频率处全介质超表面内部强电磁场增强的特性，实现了高效的太赫兹三次谐波产生。
附图说明
图1是本发明产生THz三次谐波的BICs全介质超表面的三维结构示意图；
图2是本发明产生THz三次谐波的BICs全介质超表面打破面内介电常数对称性的二维单胞示意图；
图3是本发明产生THz三次谐波的BICs全介质超表面动量空间中共振模式的品质因数图；
图4是本发明产生THz三次谐波的BICs全介质超表面在打破面内介电常数对称性情形下的透射率随非对称量变化的线图。
图5是本发明产生THz三次谐波的BICs全介质超表面在准连续域束缚态共振频率附近的三次谐波转换效率随泵浦光频率变化的线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，结合如图1、图2所示，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5R，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片1和紧密贴合于介质基片1上表面的介质谐振单元2和介质包裹层3。
每个介质谐振单元2均由两个中心位于同一水平线的介质二聚体圆柱组成，介质谐振单元2的中点与介质基片1的几何中心重叠。
介质基片1的材料为石英、氟化镁或蓝宝石中的其中一种。
介质基片1的折射率小于2。
介质谐振单元2的材料为高折射率材料。
介质谐振单元2的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅、砷化镓、砷镓铟中的其中一种。
介质谐振单元2的折射率范围为2～4。
介质包覆层3的材料为空气(介质谐振单元2的上方和四周被空气包覆)、聚甲基丙烯酸甲酯或光学液体中的其中一种。
介质包覆层3的折射率小于2，介质谐振单元2的介电常数大于介质基片1和介质包覆层3的介电常数以满足高折射率对比度条件。
介质谐振单元2中介质二聚体圆柱半径为r，介质谐振单元2高度为H＝2.5r，两个介质二聚体圆柱中心之间的距离为d＝2.5r，介质基片的厚度h和介质包覆层的厚度h近似等于超表面的谐振波长λ。
实施例1
产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，结合如图1、图2所示，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5R，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片1和紧密贴合于介质基片1上表面的介质谐振单元2和介质包裹层3。
每个介质谐振单元2均由两个中心位于同一水平线的介质二聚体圆柱组成，介质谐振单元2的中点与介质基片1的几何中心重叠。
介质基片1的折射率小于2。
介质谐振单元2的材料为高折射率材料。
介质谐振单元2的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅、砷化镓、砷镓铟中的其中一种。
介质谐振单元2的折射率范围为2～4。
介质包覆层3的材料为空气(介质谐振单元2的上方和四周被空气包覆)、聚甲基丙烯酸甲酯或光学液体中的其中一种。
介质包覆层3的折射率小于2，介质谐振单元2的介电常数大于介质基片1和介质包覆层3的介电常数以满足高折射率对比度条件。
介质谐振单元2中介质二聚体圆柱半径为r，介质谐振单元2高度为H＝2.5r，两个介质二聚体圆柱中心之间的距离为d＝2.5r，介质基片的厚度h和介质包覆层的厚度h近似等于超表面的谐振波长λ。
实施例2
产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，结合如图1、图2所示，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5R，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片1和紧密贴合于介质基片1上表面的介质谐振单元2和介质包裹层3。
每个介质谐振单元2均由两个中心位于同一水平线的介质二聚体圆柱组成，介质谐振单元2的中点与介质基片1的几何中心重叠。
介质基片1的材料为石英、氟化镁或蓝宝石中的其中一种。
介质基片1的折射率小于2。
介质谐振单元2的材料为高折射率材料。
介质谐振单元2的折射率范围为2～4。
介质包覆层3的材料为空气(介质谐振单元2的上方和四周被空气包覆)、聚甲基丙烯酸甲酯或光学液体中的其中一种。
介质包覆层3的折射率小于2，介质谐振单元2的介电常数大于介质基片1和介质包覆层3的介电常数以满足高折射率对比度条件。
介质谐振单元2中介质二聚体圆柱半径为r，介质谐振单元2高度为H＝2.5r，两个介质二聚体圆柱中心之间的距离为d＝2.5r，介质基片的厚度h和介质包覆层的厚度h近似等于超表面的谐振波长λ。
实施例3
产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，结合如图1、图2所示，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5R，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片1和紧密贴合于介质基片1上表面的介质谐振单元2和介质包裹层3。
每个介质谐振单元2均由两个中心位于同一水平线的介质二聚体圆柱组成，介质谐振单元2的中点与介质基片1的几何中心重叠。
介质基片1的材料为石英、氟化镁或蓝宝石中的其中一种。
介质基片1的折射率小于2。
介质谐振单元2的材料为高折射率材料。
介质谐振单元2的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅、砷化镓、砷镓铟中的其中一种。
介质谐振单元2的折射率范围为2～4。
介质谐振单元2中介质二聚体圆柱半径为r，介质谐振单元2高度为H＝2.5r，两个介质二聚体圆柱中心之间的距离为d＝2.5r，介质基片的厚度h和介质包覆层的厚度h近似等于超表面的谐振波长λ。
本征模分析得到方形晶格全介质超表面在动量空间中沿高对称方向的品质因数分布图，如图3所示。图3的计算结果表明共振模式在动量空间中波矢k＝0处品质因数是发散的，且超过107，表明该全介质超表面能够支持一个对称保护型连续域束缚态。
保持介质谐振单元2中左侧圆柱介电常数不变，对右侧圆柱光照或化学掺杂，引入无量纲的不对称因子α＝(εa-εb)/(εa)。入射电磁波的传播方向沿z轴，电场偏振沿x轴(TM偏振)，图4给出了六种不对称因子α＝-0.1、-0.05、-0.01、0.01、0.05和0.1时的透射率曲线。当不对称因子α大于零，全介质超表面支持的对称保护型连续域束缚态转化为具有极窄线宽的准连续域束缚态。随着不对称因子α的增大或减小，准连续域束缚态的共振频率发生红移或蓝移，并且共振的线宽逐渐增宽或变窄。这些结果表明通过精细控制不对称因子α的大小，可以主动调谐准连续域束缚态共振的频率、线宽和品质因数。
本发明设计的全介质超表面本质上可看作是一个具有超高品质因数和紧束缚电磁近场增强的谐振腔，且超表面所选的材料硅具有相当大的三阶非线性系数，因此该超表面可应用于增强三次谐波产生。图5给出了三次谐波转换效率随泵浦光频率的变化关系。三次谐波的转换效率跨越了8个数量级，并且在准连续域束缚态共振频点三次谐波转换效率达到最高值，三次谐波的峰值转换效率高达0.74％。此外，三次谐波的转换效率光谱也呈现出明显的单色性，线宽非常窄，最大半宽小于0.005THz。

Claims (10)

1.产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，包括沿平面连续设置的多个结构相同的介质超表面，N×N个所述介质超表面沿着x和y方向周期性排列，周期为P＝5r，每个介质超表面均包括方形晶格介质基片(1)和紧密贴合于介质基片(1)上表面的介质谐振单元(2)和介质包裹层(3)。
2.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，每个所述介质谐振单元(2)均由两个中心位于同一水平线的介质二聚体圆柱组成，介质谐振单元(2)的中点与介质基片(1)的几何中心重叠。
3.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质基片(1)的材料为石英、氟化镁或蓝宝石中的其中一种。
4.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质基片(1)的折射率小于2。
5.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质谐振单元(2)的材料为高折射率材料。
6.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质谐振单元(2)的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅、砷化镓、砷镓铟中的其中一种。
7.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质谐振单元(2)的折射率范围为2～4。
8.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质包覆层(3)的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯或光学液体中的其中一种。
9.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质包覆层(3)的折射率小于2，介质谐振单元(2)的介电常数大于介质基片(1)和介质包覆层(3)的介电常数以满足高折射率对比度条件。
10.根据权利要求1所述的产生THz三次谐波的BICs全介质超表面，其特征在于，所述介质谐振单元(2)中介质二聚体圆柱半径为r，介质谐振单元(2)高度为H＝2.5r，两个介质二聚体圆柱中心之间的距离为d＝2.5r，介质基片的厚度h和介质包覆层的厚度h近似等于超表面的谐振波长λ。
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