本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、...本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、品质因子、偏振依赖等表现出不同的特性.模拟计算表明,通过测量两个QBIC的谐振波长,能够实现折射率和温度的双参数传感;通过调节不对称参数,利用QBIC的品质因子依赖于不对称参数的二次方反比关系,理论上能够提高品质因子到任意的数值,从而实现传感性能的提升和调节.该超构表面的折射率传感灵敏度、品质因子和优值分别达到194.7 nm/RIU,45829和8197,其温度传感灵敏度达到24 pm/℃.展开更多
超表面由于具备独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛.在电磁超表面中构建连续域束缚态(bound states in the continuum,BIC)模式谐振可以产生尖锐的谐振透射峰,因此BIC被广泛用于设计具有高品质因子谐振的超表...超表面由于具备独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛.在电磁超表面中构建连续域束缚态(bound states in the continuum,BIC)模式谐振可以产生尖锐的谐振透射峰,因此BIC被广泛用于设计具有高品质因子谐振的超表面.本文实验研究了一种支持准BIC(quasi-BIC,q-BIC)谐振的新型金属太赫兹超表面,通过设计两组金属开口谐振环(split ring resonators,SRRs)的结构参数来调节各自主导的谐振的工作频率,使不同模式谐振之间产生耦合,形成q-BIC模式谐振.并利用电磁场分布及其散射功率的多极分解的计算结果证明了不同模式的共振机制.在入射电磁波分别沿x,y偏振时,通过Jaynes-Cummings模型计算了两模式之间的归一化耦合强度比,分别为0.54%(x偏振)与4.42%(y偏振),解释了不同谐振模式的工作频率随SRRs器件结构参数改变而变化的规律.展开更多
纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一...纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures,RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值.将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式.本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性.结果表明:TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%.TM偏振光照射时,阈值比传统RWG结构降低了3.3倍.而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级,这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内,增强了光与增益材料的相互作用,从而降低了纳米激光的阈值.展开更多
由高折射率介质材料制备的亚波长人工结构,通过电磁谐振效应为在纳米尺度操控光提供了一种有效方法.这类结构的吸收损耗通常较低,然而辐射损耗降低了其非线性响应的效率.通过连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)可望解决...由高折射率介质材料制备的亚波长人工结构,通过电磁谐振效应为在纳米尺度操控光提供了一种有效方法.这类结构的吸收损耗通常较低,然而辐射损耗降低了其非线性响应的效率.通过连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)可望解决这个问题.BICs是一种处于连续域内而保持局域的非常规光学态,存在于光锥线以内并且具有无限大的Q值.本文提出通过破坏硅纳米颗粒阵列原胞的对称性将BIC转变成准BIC,使得结构的透射谱中出现高Q的窄共振谷,当调节泵浦波长至共振波长时,非线性响应显著增强,三次谐波激发的强度提高了6个数量级,转化效率可提升至约2.6×10^(-6),该结果有望应用于硅基光学非线性器件的设计.展开更多
本文设计了由四聚长方体组成的全介质超表面,其中每个长方体刻蚀两个椭圆柱并填装空气.当分别为超表面单独引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可在近红外波段产生稳健的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum)...本文设计了由四聚长方体组成的全介质超表面,其中每个长方体刻蚀两个椭圆柱并填装空气.当分别为超表面单独引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可在近红外波段产生稳健的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum).通过测量准BIC (quasi-BIC)模式的谐振波长,计算准BIC模式的Q因子(quality fector)与不对称参数的关系,可进一步证实不对称参数对准BIC共振频率和Q因子的可调谐性.在此基础上,当同时引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可获得5个高Q因子的准BIC模式.共振峰的数量、位置以及Q因子都可通过调整面内破缺、位移扰动和周期扰动的程度进行调控.该超表面的设计可为传感器的多参数传感以及灵敏度等性能的提升提供一种全新思路.展开更多
连续域束缚态(BIC)已被广泛用于设计具有高品质因数(Q值)谐振的超材料中。通过在一个周期单元中设置两对高折射率裂环谐振器(SRR),设计了一种太赫兹全介质超材料。基于超晶格模式的对称性保护原理,通过改变其中两个SRR之间的距离,获得...连续域束缚态(BIC)已被广泛用于设计具有高品质因数(Q值)谐振的超材料中。通过在一个周期单元中设置两对高折射率裂环谐振器(SRR),设计了一种太赫兹全介质超材料。基于超晶格模式的对称性保护原理,通过改变其中两个SRR之间的距离,获得了可观测的准BIC(QBIC)模式。通过调节不对称度可以调制Q值,并且QBIC的Q值与结构的不对称度之间呈现出二次反比的关系。感应电场和磁场的空间分布以及感应电流的多极展开都表明了谐振是由电四极子的激发引起的。所提出的超材料具有较窄的谐振线宽,其灵敏度和FOM(figure of merit)分别为254.8 GHz/RIU和509.6,可以作为高灵敏度的折射率传感器。展开更多
设计了一种基于双椭圆结构的高品质因数(Q值)太赫兹(THz)超材料传感器,该传感器的每个单元均包含两个厚度为0.2μm、位于聚合物基底上且互成一定角度的金属椭圆。用时域有限积分法对传感器的结构进行了优化,通过破坏面内反转对称性使金...设计了一种基于双椭圆结构的高品质因数(Q值)太赫兹(THz)超材料传感器,该传感器的每个单元均包含两个厚度为0.2μm、位于聚合物基底上且互成一定角度的金属椭圆。用时域有限积分法对传感器的结构进行了优化,通过破坏面内反转对称性使金属椭圆阵列组成的超表面激发垂直入射的THz波。实验结果表明,该传感器的Q值高达348。在传感器表面覆盖厚度为20μm的待测物时,其灵敏度为293 GHz/RIU(Refractive index unit),可用于高灵敏度检测、痕量生物样本检测和疾病早期诊断等领域。展开更多
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,...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。展开更多
文摘本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、品质因子、偏振依赖等表现出不同的特性.模拟计算表明,通过测量两个QBIC的谐振波长,能够实现折射率和温度的双参数传感;通过调节不对称参数,利用QBIC的品质因子依赖于不对称参数的二次方反比关系,理论上能够提高品质因子到任意的数值,从而实现传感性能的提升和调节.该超构表面的折射率传感灵敏度、品质因子和优值分别达到194.7 nm/RIU,45829和8197,其温度传感灵敏度达到24 pm/℃.
文摘超表面由于具备独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛.在电磁超表面中构建连续域束缚态(bound states in the continuum,BIC)模式谐振可以产生尖锐的谐振透射峰,因此BIC被广泛用于设计具有高品质因子谐振的超表面.本文实验研究了一种支持准BIC(quasi-BIC,q-BIC)谐振的新型金属太赫兹超表面,通过设计两组金属开口谐振环(split ring resonators,SRRs)的结构参数来调节各自主导的谐振的工作频率,使不同模式谐振之间产生耦合,形成q-BIC模式谐振.并利用电磁场分布及其散射功率的多极分解的计算结果证明了不同模式的共振机制.在入射电磁波分别沿x,y偏振时,通过Jaynes-Cummings模型计算了两模式之间的归一化耦合强度比,分别为0.54%(x偏振)与4.42%(y偏振),解释了不同谐振模式的工作频率随SRRs器件结构参数改变而变化的规律.
文摘纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures,RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值.将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式.本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性.结果表明:TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%.TM偏振光照射时,阈值比传统RWG结构降低了3.3倍.而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级,这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内,增强了光与增益材料的相互作用,从而降低了纳米激光的阈值.
文摘由高折射率介质材料制备的亚波长人工结构,通过电磁谐振效应为在纳米尺度操控光提供了一种有效方法.这类结构的吸收损耗通常较低,然而辐射损耗降低了其非线性响应的效率.通过连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)可望解决这个问题.BICs是一种处于连续域内而保持局域的非常规光学态,存在于光锥线以内并且具有无限大的Q值.本文提出通过破坏硅纳米颗粒阵列原胞的对称性将BIC转变成准BIC,使得结构的透射谱中出现高Q的窄共振谷,当调节泵浦波长至共振波长时,非线性响应显著增强,三次谐波激发的强度提高了6个数量级,转化效率可提升至约2.6×10^(-6),该结果有望应用于硅基光学非线性器件的设计.
文摘本文设计了由四聚长方体组成的全介质超表面,其中每个长方体刻蚀两个椭圆柱并填装空气.当分别为超表面单独引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可在近红外波段产生稳健的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum).通过测量准BIC (quasi-BIC)模式的谐振波长,计算准BIC模式的Q因子(quality fector)与不对称参数的关系,可进一步证实不对称参数对准BIC共振频率和Q因子的可调谐性.在此基础上,当同时引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可获得5个高Q因子的准BIC模式.共振峰的数量、位置以及Q因子都可通过调整面内破缺、位移扰动和周期扰动的程度进行调控.该超表面的设计可为传感器的多参数传感以及灵敏度等性能的提升提供一种全新思路.
文摘连续域束缚态(BIC)已被广泛用于设计具有高品质因数(Q值)谐振的超材料中。通过在一个周期单元中设置两对高折射率裂环谐振器(SRR),设计了一种太赫兹全介质超材料。基于超晶格模式的对称性保护原理,通过改变其中两个SRR之间的距离,获得了可观测的准BIC(QBIC)模式。通过调节不对称度可以调制Q值,并且QBIC的Q值与结构的不对称度之间呈现出二次反比的关系。感应电场和磁场的空间分布以及感应电流的多极展开都表明了谐振是由电四极子的激发引起的。所提出的超材料具有较窄的谐振线宽,其灵敏度和FOM(figure of merit)分别为254.8 GHz/RIU和509.6,可以作为高灵敏度的折射率传感器。
文摘设计了一种基于双椭圆结构的高品质因数(Q值)太赫兹(THz)超材料传感器,该传感器的每个单元均包含两个厚度为0.2μm、位于聚合物基底上且互成一定角度的金属椭圆。用时域有限积分法对传感器的结构进行了优化,通过破坏面内反转对称性使金属椭圆阵列组成的超表面激发垂直入射的THz波。实验结果表明,该传感器的Q值高达348。在传感器表面覆盖厚度为20μm的待测物时,其灵敏度为293 GHz/RIU(Refractive index unit),可用于高灵敏度检测、痕量生物样本检测和疾病早期诊断等领域。
文摘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。
