产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面

技术领域

本发明属于超材料和光子晶体技术领域，具体涉及一种产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面。

背景技术

亚波长平面粒子阵列，通常被称为超表面，是由超材料衍生出来的概念，其可以看作是三维超材料的二维平面形式。阵列中每个粒子的形状、位置和材料属性可以自由设计，以控制远场和近场的光的性质。将超材料中的粒子周期性地排列以构建超表面阵列，其中形成重复单胞的粒子称为超原子。等离子体纳米结构利用传导电子在金属纳米结构中的集体振荡，在金属纳米结构附近产生高度增强和紧束缚的电磁场。然而，金属的固有欧姆损耗引起的非辐射吸收导致谐振的质量因子比较低，这限制了需要强光-物质相互作用的光子应用，如超灵敏传感和激光。相反，由于欧姆损耗的减少，低损耗、高折射率介质超表面显示出更窄的谐振线宽，现已成为研究亚波长尺度操控光的一种有前景的替代材料。

超表面的性质可以完全用谐振模式来描述，谐振模式是在没有外部激励情况下电磁场的自洽解。超表面中的谐振模式本质上可以分为两种:泄漏模式和束缚模式。通常，谐振频率在辐射连续体内是复数，虚部与能量泄漏到远场的时间成正比。然而，辐射连续体中也存在仅有实频率的束缚模式，即非辐射本征模。尽管存在能量可以衰减的辐射通道，但这些模式不能耦合到这些通道中，因此被称为连续体束缚态(Bound states in thecontinuum，BIC)。因此，BIC是具有无限寿命和零线宽的暗模式，不能被远场辐射激发。

光子晶体和超材料等光学平台由于其任意的构造模块和尺寸依赖的光谱可扩展性，被广泛应用于BIC的研究。光子晶体和超材料中的BIC被定义为光锥上方的波动方程的非辐射本征解。根据BIC与辐射连续域耦合的机制，它们被分为对称保护BIC(Symmetry-protected BIC,SP-BIC)和偶然BIC。SP-BIC存在于布里渊区的中心Γ点，在那里场模式的对称性和阵列中粒子的同相振荡造成的可用的辐射通道之间存在不匹配。偶然BIC是不同模式以特定角度干涉的结果，通常是被偶然的面内波矢激发在一个孤立的能带上。SP-BIC和偶然BIC可以通过斜入射光来获取，从而产生极窄线宽的谐振模式，称为准BIC。此外，打破结构对称性，如平移、旋转、镜像和反演对称，可以为准SP-BIC的设计提供额外的自由度。准BIC已被探索用于许多应用，包括激光，矢量光束，超灵敏生化传感，电磁诱导透明和高次谐波产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，解决了现有技术中存在的如何打破支持双SP-BIC的微纳光学结构的面内对称性来实现具有高质量因子共振模式的问题。

本发明所采用的技术方案是，产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，包括介质基片，介质基片上设置有若干个介质谐振单元，若干介质谐振单元呈周期性阵列排列，若干介质谐振单元整体被介质包裹层包围。

本发明的特点还在于，

介质谐振单元结构均相同，均包括两个相互正交的椭圆柱A和椭圆柱B。椭圆柱的短轴D

介质基片和介质包覆层的厚度h等于介质谐振单元的谐振波长λ的1～1.5倍。

介质基片的材料折射率小于介质谐振单元的折射率，介质基片的材料为石英、氟化镁和BF33玻璃中的其中一种。

介质谐振单元的材料折射率范围为2～4，介质谐振单元的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅和砷镓铟中的其中一种。

介质包裹层的折射率小于介质谐振单元的折射率，介质包裹层的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯、光学液体中的其中一种。

本发明的有益效果是，产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，相较于金属制成的超表面，结构简单，容易制作，并与互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,COMS)工艺相兼容，具有高质量因子、强局域电磁场及不易被氧化或腐蚀等独特优势，非常适宜于超低功率开关、高通滤波和高次谐波产生等应用。本发明基于双SP-BIC的全介质十字椭圆柱超表面，在TM偏振的电磁波照射下能够实现双准SP-BIC。通过沿x轴移动水平椭圆柱引入非对称量，从而使由单元结构周期排列构成的基于双SP-BIC的全介质超表面能够实现具有高质量因子的双准SP-BIC，且通过控制不对称因子大小能够实现谐振峰品质因子的调节。此外，利用本发明对周围环境折射率敏感和强电磁场束缚的特性，可以实现超灵敏传感和高次谐波产生。本发明能支持双准SP-BIC，在非线性光学、大面积激光和光电子器件性能的改进方面具有潜在的应用价值。

附图说明

图1是本发明产生双SP-BIC的全介质超表面的三维结构示意图；

图2是本发明产生双SP-BIC的全介质超表面打破面内旋转和反演对称性的二维单胞示意图；

图3是本发明产生双SP-BIC的全介质超表面k空间中模式1的质量因子图；

图4是本发明产生双SP-BIC的全介质超表面k空间中模式2的质量因子图；

图5是本发明产生双SP-BIC的全介质超表面在打破面内对称性情形下的透射率随非对称量变化的线图。

图中，1.介质基片，2.介质谐振单元，3.介质包裹层，4.椭圆柱A，5.椭圆柱B。

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。

本发明产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，结合图1～图2，包括介质基片1，介质基片1上设置有若干个介质谐振单元2，若干介质谐振单元2呈周期性阵列排列，若干介质谐振单元2整体被介质包裹层3包围。

若干介质谐振单元2结构均相同，均包括两个相互正交的椭圆柱A4和椭圆柱B5。

椭圆柱(椭圆柱A4、椭圆柱B5)的短轴D

介质基片1和介质包覆层3的厚度h等于所述的介质谐振单元2的谐振波长λ的1～1.5倍。

介质基片1的材料折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质基片1的材料为石英、氟化镁和BF33玻璃中的其中一种。

介质谐振单元2的材料折射率范围为2～4，介质谐振单元2的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅和砷镓铟中的其中一种。

介质包裹层3的折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质包裹层3的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯、光学液体中的其中一种。

实施例1

本发明产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，结合图1～图2，包括介质基片1，介质基片1上设置有若干个介质谐振单元2，若干介质谐振单元2呈周期性阵列排列，若干介质谐振单元2整体被介质包裹层3包围。

介质基片1和介质包覆层3的厚度h等于所述的介质谐振单元2的谐振波长λ的1～1.5倍。

介质基片1的材料折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质基片1的材料为石英、氟化镁和BF33玻璃中的其中一种。

介质谐振单元2的材料折射率范围为2～4，介质谐振单元2的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅和砷镓铟中的其中一种。

介质包裹层3的折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质包裹层3的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯、光学液体中的其中一种。

实施例2

本发明产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，结合图1～图2，包括介质基片1，介质基片1上设置有若干个介质谐振单元2，若干介质谐振单元2呈周期性阵列排列，若干介质谐振单元2整体被介质包裹层3包围。

若干介质谐振单元2结构均相同，均包括两个相互正交的椭圆柱A4和椭圆柱B5。

椭圆柱的短轴D

介质基片1的材料折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质基片1的材料为石英、氟化镁和BF33玻璃中的其中一种。

介质谐振单元2的材料折射率范围为2～4，介质谐振单元2的材料为氮化硅、磷化镓、二氧化钛、硅和砷镓铟中的其中一种。

介质包裹层3的折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质包裹层3的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯、光学液体中的其中一种。

实施例3

本发明产生双对称保护性连续体束缚态的全介质超表面，结合图1～图2，包括介质基片1，介质基片1上设置有若干个介质谐振单元2，若干介质谐振单元2呈周期性阵列排列，若干介质谐振单元2整体被介质包裹层3包围。

若干介质谐振单元2结构均相同，均包括两个相互正交的椭圆柱A4和椭圆柱B5。

椭圆柱的短轴D

介质基片1和介质包覆层3的厚度h等于所述的介质谐振单元2的谐振波长λ的1～1.5倍。

介质基片1的材料折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质基片1的材料为石英、氟化镁和BF33玻璃中的其中一种。

介质包裹层3的折射率小于介质谐振单元2的折射率，介质包裹层3的材料为空气、聚甲基丙烯酸甲酯、光学液体中的其中一种。

如图1和2所示，椭圆柱A4的长轴D

本征模分析得到C

水平椭圆柱沿着x轴从中心移位，引入无量纲的不对称因子α＝|L

由于所涉及的全介质超表面本质上可视为是一个具有超高质量因子的谐振腔，且超表面所选的材料硅具有非常大的三阶非线性系数，因此该超表面可应用于产生三次谐波。此外，超表面附近的强电磁场约束和对周围环境折射率敏感的特性，可用于光谱选择的超灵敏生化传感。

本发明在打破面内对称性条件下产生双准连续体束缚态的全介质超表面，所述的全介质超表面单元由自下而上的介质基片、介质谐振单元及介质包裹层构成，三者紧密贴合，并以此单元在四周重复，形成周期性结构。设计的介质谐振单元由两个结构完全相同、中心位于原点、互相正交的椭圆柱构成一个介质十字椭圆柱，介质十字椭圆柱的周边等间距地位于介质基片的周边范围内。通过将水平椭圆柱从中心向x轴移动打破超表面的面内旋转和反演对称性，超表面的非辐射模式转化为具有极高质量因子的准连续体束缚态模式。