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光学学报 2025年第8期 339-348页

作者：梁凤凤刘秀红赵志韩海燕席思星胡劲华河北工程大学数理科学与工程学院河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心河北工程大学信息与电气工程学院

提出一种反S形手性全介质超表面，通过打破结构对称性激发本征手性准连续域束缚态（QBIC），实现了峰值稳定的强圆二色性（CD）。利用有限元法（FEM）分析超表面的本征偏振态、远场散射功率和CD光谱。仿真结果表明，手性超表面的结构参... 详细信息

提出一种反S形手性全介质超表面，通过打破结构对称性激发本征手性准连续域束缚态（QBIC），实现了峰值稳定的强圆二色性（CD）。利用有限元法（FEM）分析超表面的本征偏振态、远场散射功率和CD光谱。仿真结果表明，手性超表面的结构参数在20 nm范围内变化时，其CD值始终保持在0.85以上。所设计结构的折射率传感灵敏度达到375.86 nm/RIU，品质因数（FOM）高达12453.94 RIU-1。此外，超表面的光学手性局域增强高达4个数量级，实现了手性对映体的灵敏检测。本研究为高性能手性超表面传感器的设计提供了理论参考。

关键词：连续域束缚态圆二色性品质因子手性超表面光学传感器

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基于双椭圆结构的高Q值太赫兹超材料传感器

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光学学报 2021年第14期41卷 191-197页

作者：曾庆鹏胡放荣周远邹莹畅汪之又桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004 长沙学院电子与电气工程学院湖南省光电健康检测工程技术研究中心湖南长沙410022

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... 详细信息

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。

关键词：传感器太赫兹超材料品质因数连续域束缚态双椭圆结构

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基于全介质纳米圆柱孔超表面的传感特性研究

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激光与光电子学进展 2023年第19期60卷 230-235页

作者：赵静王加贤高丽贞邱伟彬厦门工学院计算机科学与信息工程学院福建厦门361021 华侨大学信息科学与工程学院福建厦门361021

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... 详细信息

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。

关键词：全介质超表面 Fano共振连续域束缚态折射率传感

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基于全介质超表面高Q的双带太赫兹传感器

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激光与光电子学进展 2022年第13期59卷 134-138页

作者：赵静王加贤赖丽萍苏倩倩邱伟彬卓立强厦门工学院计算机科学与信息工程学院福建厦门361021 华侨大学信息科学与工程学院福建厦门361021

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,... 详细信息

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。

关键词：探测器太赫兹传感器全介质超表面连续域束缚态

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高品质因子太赫兹超表面的电磁共振特性研究

高品质因子太赫兹超表面的电磁共振特性研究

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作者：闫飞哈尔滨工业大学

学位级别：博士

太赫兹辐射表现出许多独特的性质,并逐步发展成交叉学科基础与应用研究关注的热点。增强和操纵太赫兹波与物质的相互耦合作用,形成局部电磁场增强的高品质因子(Q因子)共振,对于太赫兹超灵敏传感、成像、窄带滤波器和低阈值激光器等诸多... 详细信息

太赫兹辐射表现出许多独特的性质,并逐步发展成交叉学科基础与应用研究关注的热点。增强和操纵太赫兹波与物质的相互耦合作用,形成局部电磁场增强的高品质因子(Q因子)共振,对于太赫兹超灵敏传感、成像、窄带滤波器和低阈值激光器等诸多实际应用都有重大意义。然而,太赫兹波的波长较长,很难与自然物质发生充分相互作用。实现太赫兹波与物质的强相互作用从而产生低损耗高Q共振已是亟待解决的技术难点之一。超表面是人工亚波长结构阵列,可以灵活地调控电磁波的振幅、相位和偏振状态,为操纵太赫兹波与物质的相互作用的提供了新方法。因此,本论文以超表面为基础,利用共振的单模、双模以及多模之间的强相干耦合作用,对太赫兹高Q因子电磁共振进行了研究和讨论,其主要研究内容如下: 1.介质光栅结构的太赫兹高Q导模共振研究。为了解决太赫兹完美吸收共振损耗高的问题,将介质光栅集成一个Fabry-Perot腔和金反射膜,设计了一种亚波长介质光栅狭缝波导来实现太赫兹双波段高Q完美吸收共振,并对高Q完美吸收特性进行耦合模理论分析。然后,研究了介质光栅狭缝波导的光栅周期、光栅宽度和光栅深度对双波段高Q完美吸收共振传输特性的影响,并讨论和分析了双波段高Q完美吸收的传感性能能力。 2.金属劈裂环阵列的太赫兹Fano相干重构电共振研究。理论研究了单金属棒阵列结构的太赫兹光谱性质,设计了偏实际加工的金属劈裂环阵列结构组成的太赫兹高Q超表面,诱导激发太赫兹高Q重构相干模,研究了太赫兹高Q重构Fano相干模的传输透射特性,分析了太赫兹高Q重构Fano相干模的物理机制。随后,研究并讨论了金属环的几何效应和衬底的折射率对太赫兹高Q重构相干模特性的影响。 3.金属劈裂环阵列的太赫兹多重Fano相干磁共振研究。为了解决太赫兹磁共振损耗大的问题,研究了独立式金属劈裂环本征模式的透射传输光谱,进一步地研究结构有衬底存在时的太赫兹高Q多重Fano磁共振透射传输光谱。研究和分析了在多极子诱导中以磁偶极矩为主导的太赫兹高Q磁共振和基阶磁偶极子模的高Q传输特性,完成了实验测量,并进行了仿真结果和实验结果的对比分析。 4.周期金属扇形蜿蜒沟槽波导结构的连续域束缚态研究。人工表面等离激元相比于金属表面支持的表面等离激元具有低损耗、场束缚和低辐射的优势。设计了金属蜿蜒沟槽波导结构,研究了人工表面等离激元的色散关系,研究并分析了金属蜿蜒沟槽波导结构在有限长度下的电磁散射截面。接着,在沟槽填充高折射率介质时,进一步研究了基于耦合相干的人工表面等离激元连续域束缚态特性,分析了金属蜿蜒沟槽波导结构的纵横比变化时的模式变换。

关键词：太赫兹辐射超表面高Q共振磁共振连续域束缚态

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人工超构表面谐振腔与激子的强耦合特性及调控研究

人工超构表面谐振腔与激子的强耦合特性及调控研究

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作者：高成贵贵州大学

学位级别：博士

光学超构表面是人工构建的亚波长周期性微纳结构,通过调节器件单元结构的几何尺寸和形状,可以将光子局域在超构表面内并呈现出特定的共振模式,形成光学谐振腔。同时,在腔体中若存在激子,激子会与光腔的共振模式相互作用,它们之间将发生... 详细信息

光学超构表面是人工构建的亚波长周期性微纳结构,通过调节器件单元结构的几何尺寸和形状,可以将光子局域在超构表面内并呈现出特定的共振模式,形成光学谐振腔。同时,在腔体中若存在激子,激子会与光腔的共振模式相互作用,它们之间将发生能量交换。当谐振腔的共振模式和激子的衰减速率低于二者的能量交换速率时,会生成新的半光半物质的混合能量态,即激子极化激元。此时,谐振腔的共振模式与激子组成的耦合系统实现了强耦合,这种强相互作用可以通过调整谐振腔的几何参数和材料激子的特性进行调控。一方面,人工超构表面谐振腔能够支持环形偶极子（Toroidal Dipole,TD）共振模式和准连续域束缚态（Quasi-Bound States in the Continuum,QBIC）共振模式,获得高品质因子（Q值）,从而极大地促进纳米尺度下光和物质的相互作用。另一方面,拥有天然量子阱结构的有机-无机卤化铅钙钛矿材料（C6H5C2H4NH3）2Pb I4(文中写为（PEA）2Pb I4)和过渡金属硫化物（Transition Metal Dichalcogenides,TMDCs）都具有非常大的激子束缚能,因而非常适合作为活性材料提供激子,并可以在可见光到近红外波段实现光与物质的强相互作用。本文综合考虑人工超构表面谐振腔丰富的光学共振模式和活性材料激子的特性,研究了超构表面谐振腔中高Q值TD和QBIC共振模式与激子的强耦合特性。具体内容如下: （1）研究了电/磁环形偶极子（Electric/Magnetic Toroidal Dipole,ETD/MTD）共振模式与（PEA）2Pb I4钙钛矿激子的强耦合特性。提出支持ETD/MTD共振模式的超构表面谐振腔,其单元结构由（PEA）2Pb I4二聚体纳米棒置于Si O2基底上组成。研究了ETD/MTD共振模式的电磁场分布特征,并采用笛卡尔坐标下的电磁多极分解方法来计算各多极分量对远场辐射的贡献,证实了该超构表面谐振腔支持ETD/MTD共振模式,且共振波长可通过谐振腔单元结构中纳米棒的长度、宽度、厚度以及两纳米棒的间距协同调节;对ETD/MTD共振模式与（PEA）2Pb I4激子的相互作用进行探究,发现当激子振荡强度1)0=0.02时,可开启ETD/MTD共振模式与激子的强耦合,1)0大大,强耦合应越大显,,耦合系统的透射谱出现共振峰劈裂现象。随着谐振腔单元结构几何参数的变化,耦合系统的透射谱映射图,示出经典的反交叉行为。当1)0=1.0,失谐量为零时,计算出ETD/MTD共振模式与激子强耦合的拉比分裂能分别高达371 me V和300 me V。计算了不同Q值的ETD/MTD共振模式与激子的耦合,发现谐振腔的Q因子对该耦合系统的拉比分裂能影响较小。（2）研究了共振波长稳定的电环形偶极子主导的准连续域束缚态（ETD-QBIC）共振模式与Mo Te2激子在近红外区的强耦合特性。提出支持ETD-QBIC共振模式的超构表面谐振腔,其单元结构由Mo Te2二聚体纳米盘置于Si O2基底上组成。通过改变两纳米盘的中心间距Δ破该该超构表面的平移对称性激发QBIC共振模式。计算透射谱发现,随着两纳米盘从相切移动到边缘过程中,透射谱逐渐变窄且在Δ=Px/2处完全消失,随后又逐渐变宽。对该QBIC共振模式的电磁场分布特征和远场辐射特性分析,证实该共振模式为ETD-QBIC共振模式,且其共振波长非常稳定,约为1170 nm,这与激子共振波长相当,稳定的共振波长更利于与激子峰有应重叠;计算了不同Q因子的ETD-QBIC共振模式与Mo Te2激子在1)0=0.65时的耦合透射谱,结果表显由于ETD-QBIC共振模式与激子的耦合作用,耦合系统的光谱特征发生了杂化,透射光谱出现两个劈裂峰。随着ETD-QBIC共振模式Q值增加,耦合后劈裂峰逐渐不显,,并在Q值约为500时消失;随着纳米盘半径和厚度增加,耦合系统的透射光谱映射图展示了典型的反交叉行为,且1)0=0.65,Q=88时,该耦合体系的拉比分裂能和耦合强度分别为132 me V和68 me V,结合ETD-QBIC共振模式和激子的衰减率,该结果满足强耦合判据,进一步证实ETD-QBIC共振模式与Mo Te2激子在近红外波段实现了强耦合。（3）研究了共振波长稳定的磁环形偶极子主导的准连续域束缚态（MTD-QBIC）共振模式与单层TMDCs激子的强耦合。提出了支持MTD-QBIC共振模式的超构表面谐振腔,该谐振腔由二聚体椭圆柱置于Si O2基底上组成。同样通过破该平移对称性激发了具有稳定共振波长的QBIC共振模式,并计算证实该共振模式为MTD-QBIC共振模式;计算该谐振腔的电磁场场增强和电磁场平均增强因子,证实了MTD-QBIC能够较好地将电场束缚在器件内;调谐超构表面谐振腔单元结

关键词：超构表面谐振腔环形偶极子连续域束缚态激子强耦合

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基于超表面和光子晶体结构的新颖光学效应与应用研究

基于超表面和光子晶体结构的新颖光学效应与应用研究

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作者：张兆健国防科技大学

学位级别：博士

人工微结构是一种通过人为设计与加工引入的微纳尺度结构,能够模仿自然材料中原子或分子的特性,从而显著改变材料的宏观电磁特性。代表性的人工微结构有超表面和光子晶体。超表面通过在块状材料表面引入具有特定排列方式的人工亚波长微... 详细信息

人工微结构是一种通过人为设计与加工引入的微纳尺度结构,能够模仿自然材料中原子或分子的特性,从而显著改变材料的宏观电磁特性。代表性的人工微结构有超表面和光子晶体。超表面通过在块状材料表面引入具有特定排列方式的人工亚波长微结构来改变材料的电磁响应,能够改变电磁波的振幅、相位、偏振等多维度上的特征;光子晶体则通过引入周期性介电函数来模仿电子介质中的周期性电势,形成光子能带及光子禁带,改变微尺度下的光子行为。两者都能够对自由空间电磁波进行有效的调制,在通信、传感、成像等领域具有重要应用前景。本文基于超表面和光子晶体结构,以探索电磁感应透明、极化激元、光学拓扑态、光学连续域束缚态等新颖物理效应为出发点,结合新兴的光学材料,利用多种电磁仿真方法对一系列微纳光学器件开展了研究,分析了它们面向空间电磁波传输和局域行为的多种调制功能与应用。主要研究内容及成果如下:1.基于主动式超表面结构开展了对可调电磁感应透明效应的研究。首先是利用相变材料Ge2Sb2Te5和硅组成的全介质超表面在近红外波段实现了可调的电磁感应透明效应,其能够应用于光通信波段的全光开关和逻辑门;然后利用相变材料二氧化钒和金属组成的超表面在太赫兹波段实现可调的多通道电磁感应透明效应,其在未来无线6G通讯器件中具有潜在应用。2.基于二维材料超表面结构开展了对多种极化激元共振的研究。首先,基于单层六方氮化硼超表面结构,对其支持的中红外表面声子极化激元共振开展了研究,发现了其深亚波长尺度的光局域性和高品质因子特性,并进一步揭示了其所带来的自发辐射增强、声子极化激元杂交以及局域电磁场增强等特殊效应;其次,基于硼烯超表面结构,研究了其所支持的表面等离极化激元共振的特性及其在折射率传感方面的应用;最后,基于多层六方氮化硼和石墨烯组成的异质结构超表面,实现了极化激元感应透明效应,并详细探索了其在慢光调制、中红外传感（包括折射率传感、气体传感和分子振动传感）和双波段高效吸收方面的多功能应用潜力。3.基于光子晶体平板阵列这种类超表面结构开展了对集体高阶拓扑角态的研究。基于二维Su-Schrieffer-Heeger模型,我们提出了一种全新的光学拓扑态,即集体拓扑角态。相比于传统孤立的拓扑角态,其具有明显不同的物理特性,包括能带色散、非简并性以及与耦合相关的本征频率;其能够被有效地远场激发,且平面波的偏振角可以选择性地激发这些集体角态或其叠加态;集体角态具有较高的品质因子,且其品质因子具有随着阵列规模扩大而增加的典型集体共振响应特征;多极子展开法揭示了集体角态的环偶极子和磁四级子的多极子主导性,且进一步研究发现其能够存在于拓扑非平凡缺陷中;最后,通过引入金属反射镜,实现了基于集体角态的具有拓扑保护性的电磁吸波器。4.基于集体拓扑角态研究了其与二维材料之间的相互作用。通过将六方氮化硼与光子晶体平板阵列相结合,观察到了集体角态和光学声子之间的强耦合特征,实现了拓扑声子极化激元效应,并进一步验证了集体角态和强耦合过程的拓扑保护性;通过将石墨烯与光子晶体平板阵列相结合,实现了频率主动可调的集体角态;最后,基于此两种二维材料混合集成的异质结构,实现了主动可调的强耦合效应。此工作在大面积主动式光学拓扑器件、拓扑极化激元器件等领域具有潜在应用。5.基于对称光子晶体平板结构开展了对连续域束缚态的研究。基于二维Su-Schrieffer-Heeger模型,提出了多种在不打破面内结构对称性的前提下实现Γ对称点处连续域束缚态向准连续域束缚态转变的方法,使这些准连续域束缚态具有偏振不敏感的特性,且展现多种频率色散行为;进一步研究表明,这些准连续域束缚态是与平面波对称性相匹配的最低阶的奇偶对称模式,其品质因子遵循描述对称破缺的反二次定律,且多极子展开揭示了模式对称性与多极子主导性之间强相关联性,以及品质因子演化中存在的一些异常行为;最后,讨论了各向异性调制下的情况,以及材料损耗和基底对共振特性的影响。这项工作提出了在对称光子晶体平板Γ点处调控连续域束缚态的新方法,可作为平面光子器件中的高品质因子微腔,应用于双共振非线性增强、多光谱传感和低阈值激光器等。

关键词：超表面光子晶体极化激元相变材料拓扑光学连续域束缚态

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共振超表面中的非辐射光学模式研究及应用

共振超表面中的非辐射光学模式研究及应用

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作者：王文昊电子科技大学

学位级别：博士

非辐射电磁源最早是在量子力学和天体物理学中被提出来的,然而由于缺乏合适的研究体系,在很长一段时间内它在光子学领域并没有得到太多的关注。随着近二十年来超构光子学的快速发展,超材料和超表面表现出对电磁波强大的调控能力,同时得... 详细信息

非辐射电磁源最早是在量子力学和天体物理学中被提出来的,然而由于缺乏合适的研究体系,在很长一段时间内它在光子学领域并没有得到太多的关注。随着近二十年来超构光子学的快速发展,超材料和超表面表现出对电磁波强大的调控能力,同时得益于相关理论的提出,人们逐渐发现具有非辐射特性的光学模式在捕获入射光、增强局域电场强度、调控远场散射以及调控微纳米尺度的非线性效应等方面具有非常大的潜力。超表面,特别是具有增强光与物质相互作用的共振超表面,成为研究这些具有奇异特性的光学模式的理想平台。共振超表面中的非辐射光学模式已被广泛用于研究激光、传感、以及非线性增强等应用。本论文研究了共振超表面中两类主要的非辐射光学模式:Anapole模式和连续域束缚态（Bound states in the continuum,BICs）,对其产生机理、主动和被动式调控手段、以及其在太赫兹调制器和光电探测器中的应用进行了理论研究和实验探索。主要研究内容如下:1.设计并制备了一种可调控的主动式Anapole超表面。当垂直入射的平面波具有沿开口环间隙方向偏振的电场分量时,镜像对称的双开口谐振环结构上的环形表面电流以及开口间隙处的振荡电荷分别诱导出方向相反的环形偶极矩和电偶极矩,这两者相互干涉最终产生具有抑制的远场辐射以及增强的局域电场特性的Anapole模式。通过使用额外的光学泵浦光束照射结构中位于开口间隙下方不同数量的硅贴片,改变硅的光电导率,控制单元结构中左右开口环的短路情况,从而改变整体结构的电荷-电流分布,最终在实验上证实了从非辐射Anapole模式到辐射电偶极子模式或者Fano共振的动态转换。进一步地,探究了所提出的主动式可调控Anapole超表面在太赫兹调制器中的应用,在554 ps的超短调控时间内获得了201%的高消光光谱调制深度以及具有两个数量级的近场强度变化。2.在理论上提出了一种辐射品质因子（Radiative quality factor,Qr）在动量空间中具有可调控衰减特性的“暗”BIC,并在太赫兹频段进行了实验验证。通过引入周期扰动,超表面的布里渊区发生折叠,使得原本处在动量空间中的X点且位于光锥下方的模式均被折叠到新的布里渊区的Γ点,从而变成“暗”BIC或者是导模共振（Guided resonance,GR）。与一般的BIC不同的是,“暗”BIC的Qr在动量空间中的衰减特性是可调的,并在扰动趋于零时,其Qr在整个动量空间中都趋于无穷大。通过改变周期扰动的类型,“暗”BIC可以和GR互换,这是源于超表面所支持的本征模式的场分布关于不同的结构高对称点表现出不同的C2（面内旋转180°）对称性。实验制备的全介质太赫兹超表面样品的角分辨透射谱清楚地证实了“暗”BIC以及其Qr在动量空间中的可调衰减特性。在实验中所测得的最大Q值为258。进一步地,利用可见光泵浦超表面,实现了对其所支持的共振模式辐射特性的动态调控。3.在理论上提出了一种基于准BIC和GR的超表面热电子光电探测器。通过改变电磁波的入射角度以调控准BIC的辐射损耗,使得其与结构的非辐射损耗相等达到临界耦合条件,实现了完美吸收。同时Ag光栅与顶部的Ti O2形成的三维肖特基势垒有效地增强了热电子的产生和注入过程,最终在理论上得到9.12 m A/W的高光响应度。由于BIC的远场拓扑特性,所提出的基于准BIC的完美吸收对结构参数的变化具有鲁棒性。进一步地,通过改变光栅之间的间距引入周期扰动,将原本位于光锥下方的导模折叠至光锥里面变成GR,得到了Q值为475的超窄带热电子光电探测器。最后,通过打破超表面光栅的C2对称性,在仿真中实现了基于准BIC和GR的三频带热电子光电探测。

关键词：共振超表面 Anapole模式连续域束缚态非辐射光学模式光电探测器

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硅基介质超表面及其发光器件研究

硅基介质超表面及其发光器件研究

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作者：邱幸枝华中科技大学

学位级别：博士

近些年来,超材料和超表面由于其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。与自然界中的天然材料不同,超材料和超表面中的光学响应主要由构成其结构的微单元的形状、尺寸以及排列方式等决定,因此通过合理的结构设... 详细信息

近些年来,超材料和超表面由于其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。与自然界中的天然材料不同,超材料和超表面中的光学响应主要由构成其结构的微单元的形状、尺寸以及排列方式等决定,因此通过合理的结构设计,人们几乎可以自由地操纵光,调控其相位、振幅和偏振特性。比起三维结构的超材料,二维超表面制备工艺简单、体积小、集成度高,且设计十分灵活,逐渐成为纳米光子学研究领域的热点。早期关于超表面的研究工作主要集中在基于金属材料的表面等离子体器件,而随着工作波段的蓝移,特别是到了近红外和可见光波段,金属的欧姆损耗带来的一系列负面效应难以忽略,严重影响了器件的工作效率。此时研究人员开始将注意力转向低损耗的介质材料,关于介质超表面的研究开始成为超材料领域的重点方向。介质超表面器件的设计原理是以米氏散射理论为基础,按其功能划分大致可分为两类,一类是对光场波前进行调控,这一类超表面遵循广义斯涅尔定律,通过在光场的入射面上引入相位梯度,从而实现光束偏转,聚焦以及涡旋光等功能。另一类是以增强超表面中电磁场场强为主的谐振型超表面,利用所有谐振单元的的群体谐振效应形成高品质因子的共振模式以及电磁场热点来增强结构中的光与物质的相互作用。本论文主要围绕硅基谐振型介质超表面开展了一系列理论研究和实验探索,设计并制备了不同结构的高品质因子硅基超表面结构,并将它们与有源材料结合,实现了大幅度的发光增强以及窄线宽激光出射,具体成果可以总结为以下几个方面:(1)提出了一种非对称空气孔阵列结构的高品质因子硅基超表面的设计,分析了结构中法诺谐振模式的产生机制以及限制品质因子的主要因素,利用结构中电磁偶极子辐射的相消干涉来减小结构的辐射损耗,从而提高了器件的品质因子,利用超表面所有结构单元中的电场和磁场偶极子群体共振效应以及它们之间的近场耦合作用强化结构中的谐振,进一步提升器件的品质因子。(2)设计并制备了一种非对称法诺谐振谐振超表面量子点发光器件,利用超表面结构中的高品质因子谐振和极小的等效模式体积增强自组装锗量子点的发光,在低温光致荧光谱测试中观察到了三个数量级的发光增强,器件性能在国际上处于领先水平。此外,我们还探索了器件发光的偏振特性以及与谐振单元数量的关系,确认了超表面结构中的群体共振效应。(3)探索并揭示了非对称结构超表面中的高品质因子的法诺谐振模式与连续域束缚态之间的联系,利用格林函数本征模展开描述了被超表面单元阵列散射的光场特性,证明了系统的反射和透射系数与传统的法诺公式相关。当系统的非对称参数为零时,这种高品质因子谐振模式会消失,此时结构中产生的是对称保护型连续域束缚态模式。由于人为引入的微弱不对称性,系统中的对称保护型连续域束缚态模式退化为准连续域束缚态模式,且模式的品质因子仍旧非常高。在此基础上,我们用准连续域束缚态模式增强硅材料中缺陷的发光,并在功率依赖测试中观察到缺陷中出现了明显的局域受激辐射现象。(4)基于超表面中法诺谐振的产生机理,设计并制备了一种新型的高品质因子的浅刻蚀小孔阵列超表面,这种结构的占空比极小,在工艺上避免了邻近效应导致的阵列结构不均匀的问题,极大地提升了器件的完成度。我们将制备的高品质因子超表面用作光纤激光器外腔反射镜,实测反射带宽约60 pm,消光比约为6.2 dB,激光激射时边模抑制比高于70 dB,线宽约600 Hz。(5)在高品质因子浅刻蚀小孔阵列超表面设计原理的基础上,通过改变小孔阵列不同方向上周期,设计并制备了一种高反射率的窄带双波长反射镜,并将制备好的超表面外腔镜应用于环形腔的光纤激光器结构中,实现了双波长激光的稳定出射,边模抑制比大于60 dB,线宽为1.2 kHz,且稳定性良好。

关键词：超材料介质超表面米氏谐振 Fano谐振连续域束缚态光致荧光

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非厄米物理启发的高效无线电能传输

引用

物理 2024年第1期53卷 33-41页

作者：郭志伟陈鸿同济大学物理科学与工程学院上海200092

无线电能传输技术是指不需要线缆或者波导结构,利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术。作为能量传输的一种全新方式,无线电能传输技术可以极大地提高供电设备的安全性、可靠性和便捷性,其在消费电子行业、自动化工业车间以及人... 详细信息

无线电能传输技术是指不需要线缆或者波导结构,利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术。作为能量传输的一种全新方式,无线电能传输技术可以极大地提高供电设备的安全性、可靠性和便捷性,其在消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度供能的场景中具有重要的应用价值。目前无线电能传输技术仍存在一定的局限性,特别是对于广为关注的磁共振耦合无线电能传输技术,面临着高效率和稳定性难以兼顾的巨大挑战。文章以近场无线电能传输技术为研究框架,深入介绍非厄米新物理在无线电能传输系统中的调控机理,及其在高效、稳定、待机功率损耗、电磁环境兼容等方面的突出优势,最后对无线电能传输未来的研究方向进行了展望。

关键词：非厄米物理宇称—时间对称连续域束缚态无线电能传输

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