一种quasi-BIC超表面及其形成方法和应用

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

背景技术：

1、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）。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、若干所述非对称方形晶格构成所述quasi-bic超表面。

7、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。

8、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。

9、在一可实施方式中，所述quasi-bic超表面的周期为1000nm。

10、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。

11、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。

12、在一可实施方式中，所述纳米衬底的材料选自二氟化镁。

13、在一可实施方式中，所述纳米盘四聚体的材料选自磷化镓。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

21、在一可实施方式中，所述入射光的偏振角为0°~90°。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、具体地，所述quasi-bic超表面的非对称峰呈现出fano共振特性。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

31、根据本公开的一可实施方式，至少具有以下有益效果：

32、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~1.47×104和~1.28×104。此外，通过对超表面相关结构参数的调整（入射光偏振角度、背景折射率），可以灵活地调制透射光谱的强度和波形，其中最佳参数时的最大灵敏度s和品质因数fom分别为488.9nm/riu和2.51×105riu-1，可广泛应用于传感器和光开关等领域中。

33、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。