1 南开大学电子信息与光学工程学院薄膜光电子技术教育部工程研究中心，天津 300350
2 南开大学电子信息与光学工程学院微电子工程系，天津 300350
3 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
4 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
与金属超表面相比，全介质超表面具有较低的欧姆损耗和较尖锐的共振峰。提出了一种基于“θ”形全介质硅超表面的双参数传感器。通过增加空孔破坏周期单元结构的对称性，从而产生两个Fano共振峰，其中第一个Fano共振峰为连续域中的准束缚态（QBIC），两个峰的光谱对比度分别为71.4%和99.4%。利用商用多物理场仿真软件COMSOL对该超表面周期结构进行模拟仿真，结果表明，传感器在两个Fano共振峰处的折射率传感灵敏度分别为278.9 nm·RIU-1和230.0 nm·RIU-1，优值（FOM）最大为9387，品质因子（Q）最大为9735。本传感器能够同时实现折射率和温度的双参数测量，仿真结果显示两个共振峰的温度传感灵敏度分别为18.86 pm·℃-1和42.71 pm·℃-1。
传感器 Fano共振 全介质超表面 折射率传感 温度传感
燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004
在波导耦合表面等离子体共振传感器结构中引入MoS2材料，提出了一种全介质MoS2薄膜混合耦合波导结构传感器，该结构使得低品质因数（FOM）波导中产生了频域较宽的宽共振，而高FOM波导中产生了频域较窄的窄共振，实现了双波导耦合，进而产生了Fano共振。对传感结构进行了数值模拟与分析研究，探究了MoS2层数及各结构参数对传感性能的影响，并依据其影响将两波导厚度、相邻两层介质材料厚度、MoS2层数作为输入参数，将FOM值作为输出参数，建立了基于深度极限学习机的优化算法。利用优化算法对权值参数进行优化，对比不同优化算法对光谱的优化能力，最终得到了GWO-DELM预测模型。结果表明，Fano形状可以通过改变结构参数进行动态调控。在最佳条件下，经过优化算法优化后的Fano共振的FOM值高达50000。
传感器 Fano共振 MoS2薄膜 双波导耦合 GWO-DELM
1 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室 上海 200241
2 重庆市精密光谱重点实验室 华东师范大学重庆研究院 重庆 401120
3 山西大学 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
等离激元金属纳米结构中的Fano共振,由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象。利用种子生长法制备了等离激元共振峰分别在1 060 nm和700 nm的一长一短金纳米棒,通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建首尾相连的金纳米棒二聚体结构,在暗场显微系统中表征了金纳米棒二聚体耦合前后的散射光谱。结果表明,短金纳米棒的明偶极模式与长金纳米棒的暗四极模式间的相消干涉在660 nm处产生了明显的Fano共振谷,同时基于有限差分时域(FDTD)方法的理论模拟散射光谱与实验结果能够较好地符合。这种自组装金纳米棒二聚体在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。
Fano共振 二聚体 金纳米棒 散射 fano resonance dimer gold nanorods scattering 量子光学学报
2023, 29(2): 020801
南京邮电大学电子与光学工程学院、 柔性电子(未来技术)学院, 江苏 南京 210023
基于金属-电介质-金属(MDM)波导侧向耦合倾斜半环形谐振腔结构, 提出了一种结构紧凑且具有高灵敏度响应的折射率传感器模型。 引入与水平方向成70°角倾斜分布的半环腔, 可以有效地打破波导耦合谐振腔结构的对称型, 激发出更多的谐振模式。 采用有限元法计算出了含金属挡板MDM波导结构耦合有效半径为185 nm的倾斜半环腔结构的透射谱线, 三个具有非对称Fano线型的共振透射峰分别出现在594, 868及1 734 nm的波长位置。 透射峰值对应的模场分布揭示了三个透射峰分别对应于半环腔中的三阶、 二阶和一阶谐振模式, 记为FR3, FR2及FR1。 基于半环谐振腔内的1～3阶窄带谐振模与波导内金属挡板产生的宽带反射模之间的耦合干涉效应解释了透射谱线中的非对称Fano透射峰的形成机理。 同时基于半环腔中的类FP谐振条件推出了折射率传感灵敏度的近似解析计算公式, 揭示了折射率传感灵敏度近似与腔长L呈正比关系, 与谐振阶次m成反比关系的规律。 通过改变介质层中的折射率参数, 得到了透射峰FR3, FR2及FR1的折射率传感响应灵敏度分别为550, 840及1 724 nm·RIU-1。 最后在保持曲率半径不变的前提下, 延伸半环腔的弧长构建了开口角为π/2的开口环形腔结构, 实现了腔长L的1.5倍增长。 数值计算表明开口环形腔耦合MDM波导结构中的三重透射峰折射率传感灵敏度进一步提升到821, 1 250及2 517 nm·RIU-1, 相对半环腔结构均近似实现了1.5倍的提升。 数值结果进一步验证了近似解析公式的有效性。 研究结果为实现结构紧凑的高灵敏度折射率传感器设计提供了理论基础。
表面等离激元 MDM波导 Fano谐振 开口环形谐振腔 Surface plasmons polaritons Metal-dielectric-metal waveguides Fano resonance Split-ring cavity 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1746
Author Affiliations
Abstract
1 University of Palermo, Department of Engineering, Palermo, Italy
2 National Institute of Optics-National Research Council, Brescia, Italy
3 University of Brescia, Department of Information Engineering, Brescia, Italy
4 ITMO University, School of Physics and Engineering, Saint-Petersburg, Russia
5 ETH Zurich, Institute for Quantum Electronics, Department of Physics, Optical Nanomaterial Group, Zurich, Switzerland
6 Technical University of Denmark, Department of Electrical and Photonics Engineering, Kongens Lyngby, Denmark
Metasurfaces offer a unique playground to tailor the electromagnetic field at subwavelength scale to control polarization, wavefront, and nonlinear processes. Tunability of the optical response of these structures is challenging due to the nanoscale size of their constitutive elements. A long-sought solution to achieve tunability at the nanoscale is all-optical modulation by exploiting the ultrafast nonlinear response of materials. However, the nonlinear response of materials is inherently very weak, and, therefore, requires optical excitations with large values of fluence. We show that by properly tuning the equilibrium optical response of a nonlocal metasurface, it is possible to achieve sizable variation of the photoinduced out-of-equilibrium optical response on the picosecond timescale employing fluences smaller than 250 μJ / cm2, which is 1 order of magnitude lower than previous studies with comparable reflectivity variations in silicon platforms. Our results pave the way to fast devices with large modulation amplitude.
nonlocal metasurface nanophotonics ultrafast modulation Fano resonance Advanced Photonics
2023, 5(6): 066006
光子学报
2023, 52(10): 1052415
1 首都师范大学物理系, 北京 100048
2 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
本文设计了一种非对称金属十字单元结构, 该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大, 限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率, 故通过打破传统金属十字结构的对称性, 引入类Fano共振效应, 从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU, 传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布, 探究了Fano共振效应的物理机制, 并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响, 通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后, 设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。
太赫兹 超表面 高灵敏度 高品质因子 非对称结构 Fano共振 结构优化 terahertz metasurface high sensitivity high quality factor asymmetric structure Fano resonance structure optimization
1 厦门工学院计算机科学与信息工程学院，福建 厦门 361021
2 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。
全介质超表面 Fano共振 连续域束缚态 折射率传感 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1928001
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学 软件学院, 山西 太原 030051
3 中北大学 信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
4 岭南师范学院 物理科学与技术学院, 广东 湛江 524048
为了研究超表面结构的耦合及折射率传感特性，设计了一种由两种长度不同的纳米棒组成的二聚体结构，并研究该结构的透射光谱，共振峰处的电场和电荷分布以及结构参数对透射光谱的影响。本文采用有限元法对光学性能进行仿真分析，采用准静态逼近模型解释了平行双纳米棒结构的耦合机理。在共振波长上模拟电场分布,分析电子振动模式，在透射光谱中出现了不对称线型的双Fano共振。结果表明,双Fano共振是由纳米棒和衬底之间的耦合作用产生的，可以通过结构参数和周围介质的折射率来调控，且基于Fano共振的折射率灵敏度最大可达1.137 μm/RIU。这些研究结果为设计等离激元传感器提供了理论依据。
等离激元超表面 Au纳米棒 双Fano共振 折射率传感器 plasmonic metasurfaces Au nanorods double Fano resonance refractive index sensor
