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基于准连续域束缚态的全介质超构表面双参数传感器

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物理学报 2024年第4期73卷 272-284页

作者：刘会刚张翔宇南雪莹赵二刚刘海涛南开大学薄膜光电子技术教育部工程研究中心天津300350 南开大学电子信息与光学工程学院微电子工程系天津300350 南开大学电子信息与光学工程学院电子信息实验教学中心天津300350 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所天津300350 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室天津300350

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、... 详细信息

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/℃.

关键词：超构表面准连续域束缚态对称破缺折射率传感温度传感

硅纳米颗粒阵列中准连续域束缚态诱导三次谐波增强效应

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物理学报 2021年第15期70卷 129-135页

作者：杜芊陈溢杭华南师范大学物理与电信工程学院广东省量子调控工程与材料重点实验室广州510006

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... 详细信息

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.

关键词：高折射率介质材料准连续域束缚态三次谐波

基于准连续域束缚态介质超表面的光微流折射率传感研究

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光电工程 2023年第9期50卷 70-78页

作者：胡维东杜响刘思玉黄万霞石风华石建平李光元安徽师范大学物理与电子信息学院安徽芜湖241000 光电材料科学与技术安徽省重点实验室安徽芜湖241000 中国科学院深圳先进技术研究院广东深圳518055 中国科学院大学深圳先进技术学院广东深圳518055

准连续域束缚态(Quasi-BIC)是超表面中一种特殊共振模,具有极高的品质因子,可以极大地提高光与物质的相互作用,在荧光增强、纳米激光、光传感以及非线性光学等领域均有重要应用。本文基于我们前期对quasi-BIC产生的理论,研究quasi-BIC... 详细信息

准连续域束缚态(Quasi-BIC)是超表面中一种特殊共振模,具有极高的品质因子,可以极大地提高光与物质的相互作用,在荧光增强、纳米激光、光传感以及非线性光学等领域均有重要应用。本文基于我们前期对quasi-BIC产生的理论,研究quasi-BIC介质超表面在折射率传感方面的应用。本文给出了传感系统的基本结构,利用电子束光刻技术结合注塑工艺完成了样品光流控结构的制备,并初步测试性能。研究结果表明,得益于产生quasi-BIC的新方法,该超表面具有两个高Q值quasi-BIC共振峰(1.523μm和1.570μm,品质因子分别为3069和4071)。以四种折射率溶液(n分别为1.450/1.462/1.470/1.480)为样品的测试实验表明,两个共振峰均能完成折射率检测,灵敏度S分别为452 nm/RIU、428 nm/RIU,性能评价指标FOM分别为376.7、372,优于现有文献;共振波长和折射率之间线性度良好,展现了quasi-BIC超表面在折射率传感中的应用潜力。

关键词：超表面准连续域束缚态光微流折射率传感表面晶格共振

低对比度光栅诱导的激光腔中准连续域束缚态研究

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半导体光电 2020年第5期41卷 627-631页

作者：范策王宇飞屈晋先郑婉华中国科学院半导体研究所固态光电信息技术实验室北京100083 中国科学院大学未来技术学院北京101408 中国科学院大学材料科学与光电工程中心北京100049 中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室北京100083

光子晶体等人工微结构中出现的连续域束缚态(BIC)处于光锥以上却不与背景泄漏模耦合,具有无限高的品质因数(Q值),构建在BIC或准BIC工作的激光器具有低阈值的优点。而低对比度光栅常用于低成本激光器的模式调制和耦出。针对激光器简化三... 详细信息

光子晶体等人工微结构中出现的连续域束缚态(BIC)处于光锥以上却不与背景泄漏模耦合,具有无限高的品质因数(Q值),构建在BIC或准BIC工作的激光器具有低阈值的优点。而低对比度光栅常用于低成本激光器的模式调制和耦出。针对激光器简化三层平板结构,提出利用上盖层刻蚀低对比度光栅诱导出Q值高达9.2×105的准BIC模式,并发现激光腔中模式的Q值对有源层的厚度变化相比上盖层光栅刻蚀深度的变化更敏感,且下盖层的厚度变化使Q值被周期性增强,准BIC的Q值可以被增强到9.66×106。研究结果对光栅基的低阈值电注入面发射激光器的设计具有指导意义。

关键词：激光器准连续域束缚态低对比度光栅品质因数阈值

基于狄拉克半金属超材料的准连续域束缚态光调制研究

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基于狄拉克半金属超材料的准连续域束缚态光调制研究

作者：黄智勇湘潭大学

学位级别：硕士

连续域束缚态（Bound state in the continuum,BIC）是一个具有趋于无限品质（Q）因子的数学概念,它只存在于理想的无限阵列结构中。在外部产生微扰的情况下,理想的BIC能够泄漏为具有超高品质因子的准连续域束缚态,在光谱中表现为一个... 详细信息

连续域束缚态（Bound state in the continuum,BIC）是一个具有趋于无限品质（Q）因子的数学概念,它只存在于理想的无限阵列结构中。在外部产生微扰的情况下,理想的BIC能够泄漏为具有超高品质因子的准连续域束缚态,在光谱中表现为一个尖锐的准BIC共振线型。超材料中的准BIC能有效的将电磁波或光波限制在结构中,因而使其在激光器、传感器、调制器、吸收器方面有着诱人的应用前景。然而,传统贵金属或介质超材料中的准BIC模式通常面临着不能动态调控或模式体积大等问题。本文将BIC引入到狄拉克半金属（Bulk Dirac semimetal,BDS）超材料中,利用BDS的介电常数动态可控特性,对BDS超材料在光调制效应方面进行了研究。研究内容如下:（1）设计了一对BDS方形谐振器,通过打破该结构的C对称性,BIC能演变成具有极Q因子的准BIC,其Q因子与不对称参数成平方反比关系。近场分布表现为磁四极子模式。通过调节BDS的费米能,能够有效调制该超材料的透射率,其最大透射差高达82%,且共振频率几乎不变。其背后的物理机制是在该共振频率附近,随着BDS费米能的增加,其折射率的实部基本不变,而虚部急剧增加。此外,我们对该超材料进行了电容-电感（inductance and capacitance,LC）等效电路分析,结果表明理论预测与仿真结果基本一致。该研究结果可为光学调制器的设计提供理论支撑。（2）提出了一对BDS纳米棒阵列,研究了BDS在60～70 THz频段,其表现为介质性质时,BIC演化为准BIC模式的物理过程,结果表明频谱中出现了尖锐的共振线型,其近场分布表现为磁偶极子模式。将BDS费米能从0.15 e V增加到0.2 e V,该共振线型逐渐消失,此时该超材料对光场几乎透明。继续增加费米能至0.3 e V时,几乎在同一频率处,频谱中再次出现了尖锐的共振线型,其近场分布表现为电四极子模式。该工作在光学调制和光开关器件方面具有一定的应用潜力。

关键词：准连续域束缚态狄拉克半金属高品质因子超材料光调制

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基于微纳结构光力和光力矩的研究

基于微纳结构光力和光力矩的研究

作者：郑励超山东师范大学

学位级别：硕士

近年来,光学镊子已经成为探测和操纵微小物体的强大手段。在生物学上,光镊已被广泛应用在捕获细菌或者对单个细胞的操纵。但是随着时代的发展,人们对于单一颗粒的操纵已无法满足生物医疗的要求,例如,捕获更加微小的微粒、病毒的筛选、... 详细信息

近年来,光学镊子已经成为探测和操纵微小物体的强大手段。在生物学上,光镊已被广泛应用在捕获细菌或者对单个细胞的操纵。但是随着时代的发展,人们对于单一颗粒的操纵已无法满足生物医疗的要求,例如,捕获更加微小的微粒、病毒的筛选、蛋白质和DNA片段的分选等等。另一方面,生物学的研究通常需要大量的实验数据来进行验证,因此传统光镊是存在着局限性的。目前传统光镊存在两个较大问题:1.在使用单聚焦激光束捕获亚波长颗粒会受到衍射极限的限制,由于较小的粒子需要更高和更紧密的光场来稳定捕获,所以这种紧密的焦点可能在捕获位置产生很大的功率密度的焦耳热问题,从而损坏需要捕获的粒子。2.单光束光镊仅仅只能够捕获或操纵一个颗粒,急需一个平台实现多粒子的捕获和分选。伴随着微纳结构的兴起,很多研究者开始探索该领域对于光镊的应用。科研人员发现,微纳结构不仅仅能够支持多颗粒的捕获还能够实现分选颗粒的有趣现象。科研人员最早关注的是表面等离激元,发现它可有效克服光的衍射极限,通过等离子体共振增强电场,在亚波长频率能够产生足够的光力,实现在相对较低的光功率下对纳米颗粒的捕获。然而,随着深入研究发现等离子体的缺点在光学频率下容易发生的强烈吸收损耗,等离子体纳米镊子会表现出焦耳热问题,可能导致热泳动和对流的问题,进而会降低捕获的稳定性。如果温度升高,甚至会导致水沸腾（在进行捕获的地方）,严重的情况下将会损坏样品。最近,随着高折射率的半导体的兴起被证明是一种有效的、低损耗的金属等离子体结构的替代品,研究者们认为由高折射率半导体制备的全介质微纳结构将会有效降低焦耳热问题。但是经过研究发现这些半导体无法形成有效的场增强,但是一些有趣的光学共振能够很好的解决这个问题。通过研究者们的不断探索,先后验证了基于Fano和Anaople模式的全介质微纳结构可以很好的实现高Q值和局域电场增强。本论文提出了一种更加显著的高Q值和场增强光学共振,根据基于连续域束缚态理论、环形偶极子、准导模等概念,创新性地设计了可在低功率激发下实现光学捕获的全介质微纳结构,并对它们产生的光力和光力矩进行了系统研究,还对相关全介质超表面的实验可行性和高效性进行了数值仿真和微纳加工实验验证。论文主要研究有以下工作:1.基于二维材料砷化镓铝（AlGaSe）设计了一种开槽圆盘的超表面。能够以1m W/μm的功率下激发,实现高Q谐振的全介质超表面。通过打破开孔槽的对称性,实现理想BIC向QBIC的转化,使具有无限品质因子的无辐射模式转变成有限品质因子的泄漏模式。为了支持波长为1550 nm的QBIC,而且我们基于实验的可行性,通过调整不对称D,获取了一个10^的品质因子,但是因为尺寸因素,在实验制备上存在很大挑战性。我们通过数值模拟无损耗的高折射率超表面在激发的准连续域束缚态实现了电场局域在开口槽内部,这将实现槽内捕获粒子的优点,在圆盘附近的颗粒上产生巨大的光力和光力矩,通过解析式和数据分析球形颗粒和棒状颗粒的不同运动状态,这将会实现同质不同形颗粒的高效筛选。2.提出了一种由双圆孔蓝宝石硅（SOS）构成的畸变光子晶体板,基于准导模念进行数值模拟。这一章节介绍准导模的色散曲线是导模色散曲线的折叠形式,在兼具QBIC高Q值的同时,其在波矢方向具有很好的稳定性,Q值基本不随角度变化。这种稳定性让我们十分有利于我们多颗粒的捕获和分选,基于实验的的可行性,我们通过改变孔径大小,在计算材料损耗的同时获得3228的品质因子,通过Comsol软件进行数值模拟光力和光力矩。然后我们通过镀膜、EBL、刻蚀等一系列微纳加工方法去摸索制备样品,为接下来验证准导模对于颗粒的捕获和筛选做准备。

关键词：准连续域束缚态全介质超表面光力光力矩准导模模式

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高品质因子光栅折射率传感器技术研究

高品质因子光栅折射率传感器技术研究

作者：蒋举鑫东北大学

学位级别：硕士

光学折射率传感器因具有快速响应，不需标记的优点已成为折射率检测领域的重要研究器件。然而，目前对于光学折射率传感器的设计大多是面向灵敏度的提升，而忽略了半峰宽这一重要指标，导致传感器的品质因子普遍较低。针对该问题，本文... 详细信息

光学折射率传感器因具有快速响应，不需标记的优点已成为折射率检测领域的重要研究器件。然而，目前对于光学折射率传感器的设计大多是面向灵敏度的提升，而忽略了半峰宽这一重要指标，导致传感器的品质因子普遍较低。针对该问题，本文根据纳米阵列结构能引入异常的光学现象，从而抑制辐射损耗，降低半峰宽这一特点，以结构简单的纳米光栅为基础，从理论推导，结构设计，材料选择，状态激发出发构建了一种能激发表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)的正弦型金属光栅传感器和能激发准连续域束缚态(QuasiBoundStatesintheContinuum,q-BIC)的不对称型介质光栅传感器。并通过建立数值仿真模型，搭建实验分析系统测试了它们的传感能力，实现了半峰宽的降低，获得了较高的品质因子。另外，还介绍了一种利用剥离商业光盘来制备金属光栅SPR传感器的方法，解决了传统制作方法成本较高的问题。本研究的主要研究内容如下:　　(1)通过分析目前光栅在传感领域的研究应用现状，提出了一种正弦型金属光栅和不对称型介质光栅传感器用于获得较高的品质因子。　　(2)分析了金属光栅和介质光栅的基本理论，理清了共振状态的激发原理;介绍了常见的用于光栅分析的数值分析方法和衡量传感器性能的指标，为后续传感器的设计，优化以及性能的比较奠定了基础。　　(3)从结构设计和材料选择入手，构建了一种能激发SPR的正弦型金属光栅结构;利用有限元法分析总结了结构参数对传感性能的影响规律;分析并比较了400nm-1000nm波段下光栅SPR和棱镜SPR传感器的折射率传感特性，证明设计的传感器的半峰宽得到了明显的降低，品质因子得到了显著的提高，不仅表现出更好的精确检测折射率微小变化的能力，还表现出了很高的设计自由度。　　(4)介绍了一种剥离商业光盘(BD-R,CD-R,DVD-R)制作并封装光栅SPR传感器的方法;搭建了一套完整的光学传感分析系统;测试了各种商业光盘光栅的光谱特性，并进行了折射率传感实验分析了它们的折射率传感特性，发现DVD-R光栅具有更好的传感性能，其半峰宽为26.3nm,品质因子高达32.9RIU-1。　　(5)为进一步解决传感器的半峰宽较宽，品质因子较低的问题，创新性的设计了一种能够激发极窄q-BIC共振峰，并具有温度自补偿功能的介质不对称光栅折射率传感器。根据电磁场分布分析了q-BIC共振峰的激发原因;利用有限元分析法分析了结构参数对光谱特性的影响，并总结了影响规律;分析了传感器的折射率传感特性以及温度自补偿特性，证明该传感器拥有极高的品质因子和很高的检测精度;根据现有的微纳加工技术拟定了一套传感芯片的制备方案，并分析了制造公差的影响，证明了该传感器制作的可行性。　　本研究在综述了光栅折射率传感器研究的基础上，对光栅折射率传感器进行了结构设计、数值仿真研究、传感器的制作、光学传感分析系统的搭建和折射传感实验，最终获得了高品质因子的传感器，实现了折射率的低检测限检测。

关键词：光栅折射率传感器表面等离激元共振准连续域束缚态温度自补偿等离激元