一种quasi-BIC超表面及其形成方法和应用

技术领域

本公开涉及光学超表面技术领域，尤其涉及一种quasi-BIC超表面及其形成方法和应用。

背景技术

促进光与物质间的相互作用是纳米光学以及纳米光子学领域的重要研究课题。超表面作为促进光与物质间相互作用的产物而受到科研人员的一致追捧。其具有亚波长尺寸的人工结构，能够对光子进行捕获，从而产生许多新颖的电磁响应，例如Fano共振、电磁感应透明、连续谱中的束缚态（BIC）等。特别地，由周期性排列单元组成的超表面因可以实现复杂的波前调控（对光的振幅、相位、色散和偏振的调制）和灵活性的设计而备受关注，这为产出更加新颖的光学特性提供了有前途的平台。它们有两种主要结构：一种是基于等离子体共振的金属纳米结构（如贵金属和石墨烯等），另一种是基于近场散射效应的全介质纳米结构。由于表面等离子体共振效应能够激发强光场的产生，金属纳米颗粒成为可见光和近红外范围内构建超表面的首选，但是金属固有欧姆损耗会导致其Q值（品质因数）不理想。随着技术的迅猛发展，人们发现由支持Mie共振的高折射率全介质纳米颗粒构造的超表面则可以完全规避这一劣势，以此达到超高Q值光学共振的目的，如连续体束缚态（BIC）。

连续体束缚态（BIC）是一种新颖的光捕获方式，其众多潜在应用（包括激光、传感和滤波等）得到广泛研究。BIC是位于连续谱中的零线宽的局域态，最早在量子力学中提出。超材料中的BIC主要有两种类型：对称保护型BIC和Friedrich-Wintgen（F-W）BIC。理想的对称保护型BIC是不与辐射波耦合的暗模式，辐射波只存在于无损或极端参数结构中，具有零线宽和无限大Q因子。当受到外部干扰（结构参数变化或入射角变化），理想的对称保护型BIC会转换成quasi-BIC。quasi-BIC在光谱中表现为尖锐的非对称Fano轮廓，呈现出亮模状态，具有极高的Q因子和场增强。

已有的大量研究表明通过将对称保护型BIC转换成quasi-BIC，并进一步与Fano共振相结合会导致高Q因子的出现，这为实现更为灵活的光学调控提供了理论基础。然而，此前大部分研究中的全介质超表面仅能够实现单一的应用。

发明内容

本公开提供了一种quasi-BIC超表面及其形成方法和应用，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种quasi-BIC超表面的形成方法，包括以下步骤：

S1：提供对称型BIC超表面，所述对称型BIC超表面包括若干方形晶格和入射光；每个所述方形晶格包括纳米衬底和沉积在所述纳米衬底上的纳米盘四聚体，所述纳米盘四聚体包括四个大小相同的柱形纳米盘，四个所述柱形纳米盘在x轴方向和y轴方向二、二对称排列；

S2：当所述入射光为x偏振时，将在所述y轴方向排列的其中两个所述柱形纳米盘沿y轴向相反方向移动0~100nm，引入非对称扰动；而另外两个所述柱形纳米盘的位置保持不变，构成非对称方形晶格；

或者，当所述入射光为y偏振时，将在所述x轴方向排列的其中两个所述柱形纳米盘沿x轴向相反方向移动0~100nm，引入非对称扰动；而另外两个所述柱形纳米盘的位置保持不变，构成非对称方形晶格；

若干所述非对称方形晶格构成所述quasi-BIC超表面。

具体地，步骤S2中在y轴方向排列的其中两个柱形纳米盘或在x轴方向排列的其中两个柱形纳米盘不做限制。如四个柱形纳米盘分别记为A、B、C、D，A和D、B和C为两组在y轴方向排列的柱形纳米盘，A和B、C和D为两组在x轴方向排列的柱形纳米盘。当入射光为x偏振时，可以将A和D沿y轴向相反方向移动，也可以将B和C沿y轴向相反方向移动；当入射光为y偏振时，可以将A和B沿x轴向相反方向移动，也可以将C和D沿x轴向相反方向移动。

具体地，quasi-BIC超表面的产生通常需要结构对称性被破坏，并且大多数对称型BIC是偏振敏感的。先前的技术中，有通过改变纳米孔的大小来打破对称性，以激发quasi-BIC共振；也有通过将简单晶格的旋转对称性转换为超晶格的C4v旋转对称性来激发quasi-BIC共振；还有通过C4v对称四聚体的集体扰动和特定位移的组合来激发quasi-BIC共振，然而这些方法对于实际灵活应用会有一些限制。本公开中，quasi-BIC共振可以通过沿y轴或x轴向相反方向移动两个柱形纳米盘来激发，当柱形纳米盘移动时，四聚体在旋转一定角度（0°~360°）后不能与自身重合。因此，该结构是非旋转对称的，这是一种极为简单有效的方法，实现了对称保护型BIC超表面转化为Q值极高的quasi-BIC超表面，对于提高光学传感的灵敏度具有重要意义。

在一可实施方式中，所述quasi-BIC超表面的周期为1000nm。

在一可实施方式中，所述纳米衬底为纳米立方体，折射率为1.38~1.45，厚度为140~160nm。

在一优选的实施方式中，所述纳米衬底的折射率为1.38，厚度为150nm。

在一可实施方式中，所述纳米衬底的材料选自二氟化镁。

在一可实施方式中，所述纳米盘四聚体的材料选自磷化镓。

具体地，磷化镓是一种重要的半导体材料，具有很高的折射率。在可见光波段内其折射率介于3.4~3.6之间，磷化镓的高折射率使其在光学器件中具有很多独特的优势。例如，在光电子器件中，磷化镓可作为高折射率材料，用于增强器件的光学性能和灵敏度。此外，由于其折射率与光波长的关系，磷化镓还可以用于设计各种微结构光子晶体，实现光学信号的控制和调制。二氟化镁具有双折射率性质，也使它成为可见光学材料的重要选择。本公开在保证了介质材料的低损耗的基础上，通过促进不同结构间的耦合作用使得输出特性高效表达，因此在实际应用效果上选择了磷化镓和二氟化镁。

此外，结构不同所产生的光学现象不同；结构参数不同所产生的光学性能不同；结构的材料（折射率）不同更是主导着光学现象以及光学性能的趋势走向。本公开选择上述两种材料是经过大量的计算模拟后得出的。

在一可实施方式中，所述柱形纳米盘的直径为265~290nm，高度为230~270nm。

在一可实施方式中，在所述x轴方向或所述y轴方向对称排列的两个所述柱形纳米盘的圆心间距为40~80nm。

在一可实施方式中，所述入射光为平面波，波矢平行于z轴方向。

在一可实施方式中，所述quasi-BIC超表面由x偏振入射光（平面波）激发时，环境折射率为1.0001~1.0009。

在一可实施方式中，所述quasi-BIC超表面由y偏振入射光（平面波）激发时，环境折射率为1.00~1.09。

在一可实施方式中，所述入射光的偏振角为0°~90°。

具体地，所述入射光的偏振角由入射电场与x轴的夹角来描述。

具体地，本公开基于内部共振，当入射光的偏振角从0°变为90°时，原来的两个共振模式（QBIC1和QBIC2）消失，且出现了新的共振模式（QBIC3）。表明随着入射光从x偏振到y偏振的变化，开关状态实现了从（1，0，1）到（0，1，0）的转变。

在一可实施方式中，步骤S2利用COMSOL Multiphysics对所述对称型BIC超表面进行数值模拟，通过破坏所述对称型BIC超表面的几何对称性，将所述对称型BIC超表面转换为非对称的所述quasi-BIC超表面。

具体地，步骤S2通过将在y轴方向或x轴方向排列的其中两个柱形纳米盘沿y轴或x轴向相反方向移动0~100nm，引入非对称扰动，束缚态从连续光谱耦合到辐射通道，辐射通道成为泄露和辐射的共振模式，此时对称型BIC超表面转换为非对称的quasi-BIC超表面，且上述移动的距离的增大会使共振峰QBIC1和QBIC2的线宽增大。

具体地，所述quasi-BIC超表面的非对称峰呈现出Fano共振特性。

根据本公开的第二方面，提供了根据上述形成方法得到的quasi-BIC超表面。

根据本公开的第三方面，提供了上述quasi-BIC超表面在双向光学开关设备中的应用。

具体地，将入射光的偏振角从0°变为90°的过程中，即入射光从x偏振到y偏振的过程中，即可获得开关状态从（1，0，1）到（0，1，0）的转变。

根据本公开的第四方面，提供了上述quasi-BIC超表面在气体传感器中的应用。

根据本公开的一可实施方式，至少具有以下有益效果：

本公开提供了一种quasi-BIC超表面，该超表面由对称型BIC超表面转换而来。对称型BIC超表面包括若干方形晶格，每个方形晶格由沉积在二氟化镁纳米立方体上的磷化镓纳米盘四聚体组成，磷化镓纳米盘四聚体包括四个大小相同的柱形纳米盘，四个柱形纳米盘在x轴方向和y轴方向二、二对称排列。将在y轴方向或在x轴方向排列的其中两个柱形纳米盘沿y轴或x轴向相反方向移动0~100nm，打破结构的对称性，即得到quasi-BIC超表面。该超表面在1045.4nm和1139.6nm附近表现出尖锐的Fano共振，且表现出较高的Q值，Q值分别高达~1.47×10

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

图1示出了本公开实施例1中对称型BIC超表面的一个方形晶格的结构示意图；

图2示出了本公开实施例1中纳米盘四聚体的其中两个柱形纳米盘沿y轴向相反方向移动的示意图；其中，该图为超表面的俯视图；

图3示出了本公开试验例1中实施例1~5和对比例1的quasi-BIC超表面的透射光谱图；

图4示出了本公开试验例2中实施例1~5的quasi-BIC超表面在各自的偏移量X下QBIC1和QBIC2的Q因子变化曲线图；

图5示出了本公开试验例3中实施例1的quasi-BIC超表面的QBIC1的多极分解图、电场和磁场分布图；其中；（a）为多极分解图，（b）为电场分布图，（c）为磁场分布图；ED-电偶极子；EQ-电四极子；MD-磁偶极子；MQ-磁四极子；TD-环形偶极子；

图6示出了本公开试验例3中实施例1的quasi-BIC超表面的QBIC2的多极分解图、电场和磁场分布图；其中；（a）为多极分解图，（b）为电场分布图，（c）为磁场分布图；

图7示出了本公开试验例4中入射光的偏振角的示意图；图中的θ即为入射光的偏振角；

图8示出了本公开试验例4中实施例1的quasi-BIC超表面在不同偏振角度下的透射光谱图；

图9示出了本公开试验例5中实施例1的quasi-BIC超表面在x偏振光下，透射光谱随背景折射率的变化曲线图；

图10示出了本公开试验例5中实施例1的quasi-BIC超表面在x偏振光下，QBIC1和QBIC2的共振波长随背景折射率的变化图；

图11示出了本公开试验例6中实施例1的quasi-BIC超表面在y偏振光下，透射光谱随背景折射率的变化曲线图；

图12示出了本公开试验例6中实施例1的quasi-BIC超表面在y偏振光下，QBIC3的共振波长随背景折射率的变化图；其中，小方框代表从模拟透射光谱中提取的共振波长；虚线代表线性拟合。

附图标记：

1-纳米衬底；2-纳米盘四聚体；3-第一柱形纳米盘；4-第二柱形纳米盘；5-第三柱形纳米盘；6-第四柱形纳米盘。

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例1

本实施例提供了quasi-BIC超表面1，具体过程为：

（1）提供对称型BIC超表面，其包括若干方形晶格和入射光（偏振角度在0°~90°之间）；每个方形晶格的结构见图1，其包括纳米衬底1和沉积在纳米衬底1上的纳米盘四聚体2（如图1中虚线圈出的结构），其中纳米衬底1为纳米立方体，厚度h为150nm，折射率为1.38，材料选自二氟化镁；纳米盘四聚体2的材料选自磷化镓。纳米盘四聚体2包括四个大小相同的柱形纳米盘，分别为第一柱形纳米盘3、第二柱形纳米盘4、第三柱形纳米盘5、第四柱形纳米盘6，每个柱形纳米盘的直径2R为270nm，高度H为250nm；四个柱形纳米盘在x轴方向和y轴方向二、二对称排列，在x轴方向或y轴方向对称排列的两个柱形纳米盘的圆心间距L为60nm。

（2）入射光为平面波，波矢平行于z轴方向，偏振平行于x轴方向，如图2所示，将在y轴方向排列的第二柱形纳米盘4和第三柱形纳米盘5沿y轴向相反方向移动，偏移量X为20nm，引入非对称扰动，而第一柱形纳米盘3和第四柱形纳米盘6的位置保持不变，此时构成非对称方形晶格；若干上述非对称方形晶格即构成quasi-BIC超表面1。

Quasi-BIC超表面1的周期P为1000nm。

实施例2

本实施例提供了quasi-BIC超表面2，其中第二柱形纳米盘4和第三柱形纳米盘5沿y轴向相反方向移动，偏移量X为40nm，引入非对称扰动。其余同实施例1。

实施例3

本实施例提供了quasi-BIC超表面3，其中第二柱形纳米盘4和第三柱形纳米盘5沿y轴向相反方向移动，偏移量X为60nm，引入非对称扰动。其余同实施例1。

实施例4

本实施例提供了quasi-BIC超表面4，其中第二柱形纳米盘4和第三柱形纳米盘5沿y轴向相反方向移动，偏移量X为80nm，引入非对称扰动。其余同实施例1。

实施例5

本实施例提供了quasi-BIC超表面5，其中第二柱形纳米盘4和第三柱形纳米盘5沿y轴向相反方向移动，偏移量X为100nm，引入非对称扰动。其余同实施例1。

对比例1

本对比例提供了quasi-BIC超表面a，与实施例1的区别在于，本对比例中第二柱形纳米盘4和第三柱形纳米盘5没有沿y轴向相反方向移动，即偏移量X为0nm，没有引入非对称扰动，为对称型BIC超表面。

试验例

1.将实施例1~5和对比例1的quasi-BIC超表面进行透射光谱测试，结果如图3所示。图3显示，当第二柱形纳米盘和第三柱形纳米盘的偏移量X=0nm（对比例1）时，透射光谱在1030nm至1160nm波长范围内几乎水平，即显示出具有无限高Q因子的BIC；这是典型的对称保护型BIC，特点是具有极高的透射率，并且在透射光谱中不可见。

当上述两柱形纳米盘的偏移量X=20nm（实施例1）时，在波长1045.4nm和1139.6nm处观察到两个尖锐的共振模式（记为QBIC1和QBIC2）。出现这种现象的原因是：打破结构对称性导致理想的对称保护型BIC与辐射模式之间的耦合增强，从而使其成为quasi-BIC。

当上述两柱形纳米盘的偏移量X从20nm增加到100nm（实施例2、3、4、5，分别为40、60、80、100nm）时，这两种共振模式的透射值逐渐减小到零；此外，这两种共振模式的线宽也逐渐增大，其中QBIC2尤为显著。

2.测试了QBIC1和QBIC2利用Fano模型拟合的Q因子随偏移量X的变化情况（即实施例1~5对应的偏移量），结果见图4所示。图4显示，随着第二柱形纳米盘和第三柱形纳米盘的偏移量X的增大（即实施例1~5的偏移量X：20、40、60、80、100nm），QBIC1和QBIC2利用Fano模型拟合的Q因子呈下降趋势，这可以通过辐射通道增大导致能量泄露增加来解释。并且，偏移量X=20nm明显优于其他偏移量，QBIC1和QBIC2的最大Q因子分别达到1.47×10

3.测试实施例1的quasi-BIC超表面的QBIC1和QBIC2的多极分解，结果图如图5和6所示。图5的（a）和图6的（a）分别示出了实施例1的quasi-BIC超表面（偏移量X=20nm）的QBIC1和QBIC2的多极分解图，图5的（b）和（c）、图6的（b）和（c）分别示出了QBIC1和QBIC2的电场和磁场分布图。

图5的（a）显示，QBIC1的多极贡献中EQ（电四极子）占主导，而MQ（磁四极子）和TD（环形偶极子）的贡献较小。图6的（a）显示，QBIC2的多极贡献中，EQ和MD（磁偶极子）对QBIC2的贡献很小，而MQ的影响最大。从位移电流和场分布可以明显看出，图5的（b）显示，QBIC1的电场来自四个纵向的电共振，电场分布在纳米四聚体的外侧与间隙之间，并且电共振处的位移电流呈环状，在x-y平面上围绕每个柱形纳米盘的中心扭转，这印证了该区域EQ模式的存在；图5的（c）显示，在磁场分布中，位移电流在整个超表面中呈对角线分布。由此可见，QBIC1的近场电、磁场分布与图5的（a）中的多极分解结果一致。图6的（b）和（c）显示，QBIC2的电场分布在每个柱形纳米盘周围和彼此相邻的柱形纳米盘之间，磁场主要分布在柱形纳米盘的内部；其中，图6的（c）中箭头表示磁矢量，描绘了MQ的基本特征。

4.测试实施例1的quasi-BIC超表面在不同入射光偏振角下，QBIC1和QBIC2的变化。以入射光电场与x轴的夹角来描述入射光的偏振角，定义为θ，如图7所示。将实施例1的偏振角θ分别设置为0°、30°、45°、60°、75°和90°，观察在不同偏振角下实施例1的quasi-BIC超表面的QBIC1和QBIC2的变化，结果如图8所示。图8显示，随着偏振角θ的增大，QBIC1和QBIC2的调制深度均逐渐增加。当偏振角从0°变为90°时，不但原来的QBIC1和QBIC2消失了，而且在波长1056.3nm处出现了新的共振峰，定义为QBIC3。表明随着入射光从x轴偏振到y轴的变化，开关状态实现了从（1，0，1）到（0，1，0）的转变。

5.测试了实施例1的quasi-BIC超表面在x偏振下背景折射率对透射光谱、QBIC1和QBIC2的共振波长的影响，结果如图9和10所示。图9显示，随着背景折射率的增大，会使QBIC1和QBIC2发生红移，且QBIC1的调制深度逐渐增加。QBIC1和QBIC2的红移量不同，QBIC1的谐振波长从1045.38nm变化到1045.56nm，QBIC2的谐振波长从1139.59nm变化到1140.02nm（参见图10）。进而经过计算得出，QBIC1和QBIC2的灵敏度S分别为200nm/RIU和488.9nm/RIU，相应的品质因数FOM分别为1.08×10

6.将实施例1的quasi-BIC超表面的入射光变为y偏振，测试其在y偏振下背景折射率对透射光谱、QBIC3的共振波长的影响，结果如图11和12所示。图11显示，当背景折射率从1.00变为1.09时，QBIC3的共振峰出现明显红移。图12显示，QBIC3从1056.3nm偏移到1091.5nm，共振波长移动了35.2nm。其中，小方框代表从模拟透射光谱中提取的共振波长，虚线表示线性拟合。即使环境折射率稍有变化，这一拟合结果仍然很明显，继而计算出了QBIC3的灵敏度S为391nm/RIU，品质因数FOM为1.96×10

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。