深圳先進院在魯棒性大的超高品質(zhì)因子超構(gòu)表面取得新進展
高品質(zhì)因子(Q值)的超構(gòu)表面在納米激光、白光LED、熒光增強、非線性光學(xué)、高靈敏度生化傳感等微納集成光子芯片有著重要的應(yīng)用前景。連續(xù)域束縛態(tài)(Bound states in the continuum,BICs)由于理論上具有無限高的Q值,近年來得到了國內(nèi)外研究人員的高度重視。
然而,由于BIC完全沒有輻射,在實際中并不可用。為此,人們需要通過打破對稱性等手段來獲得具有超高Q值的準BIC共振模式。在直入射條件下,傳統(tǒng)的方法是引入微小的納米結(jié)構(gòu)形狀或尺寸的不對稱性。這種方法要求不對稱參數(shù)要控制在10%以內(nèi)才能獲得超高的Q值,隨著不對稱參數(shù)的增大,其Q值迅速下降到極低水平,這對微納加工提出了極為苛刻的要求。例如,加工一個由納米硅柱陣列形成的超構(gòu)表面需要光刻、鍍膜、剝離、刻蝕等流程,多次的圖形轉(zhuǎn)移將不可避免地引入形狀和尺寸誤差,從而極大地降低了準BIC的Q值。
9月7日,國際知名光學(xué)材料期刊Advanced Optical Materials(《先進光學(xué)材料》)在線發(fā)表了中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院集成所李光元團隊的最新研究成果Robust Ultrahigh-Q Quasi-Bound States in the Continuum in Metasurfaces Enabled by Lattice Hybridization。研究團隊發(fā)現(xiàn),通過晶格雜化和引入納米顆粒之間的相對位移來打破雜化晶格的對稱性,利用首次觀察到的由不對稱參數(shù)變化引起的電四偶極BIC(EQ-SLR)與環(huán)偶極BIC(TD-BIC)之間相互轉(zhuǎn)化這一新現(xiàn)象,在實驗上測得最低的Q值大于1024,最高Q值高達4130。
在本工作中,研究團隊采用晶格雜化和表面晶格共振干涉產(chǎn)生BIC,可以提高Q值對結(jié)構(gòu)尺寸的魯棒性;利用兩種BIC之間的相互轉(zhuǎn)化,則提高了Q值對相對位移本身的魯棒性;采用相對位移法來打破晶格對稱性可以減小圖形轉(zhuǎn)移過程中引入的誤差,從而提高了Q值對微納加工的魯棒性。將這些手段融合,極大地提升了實驗可測到的超構(gòu)表面的最小Q值和最高Q值。
該研究中,深圳先進院集成所副研究員李光元為論文通訊作者,助理研究員羅小青為論文第一作者??妥T士生韓瑩瑩和杜響,以及天津華慧芯科技集團有限公司的陳帥均對本文的研究做出了重要貢獻。深圳先進院為第一單位。
本文中,研究團隊采用兩個相同晶格錯位雜化。圖1的仿真結(jié)果表明:隨著相對位移Δy的變化,在短波長處會出現(xiàn)TD-BIC與EQ-BIC之間的相互轉(zhuǎn)化,從而準BIC模式的最低Q值被極大提升(仿真值均大于1317)。研究采用常規(guī)的微納加工工藝,制備了一系列由周期性納米硅柱陣列形成的超構(gòu)表面。圖2的實驗測量結(jié)果表明:實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合;首次在實驗中觀察到了TD-BIC與EQ-BIC之間的轉(zhuǎn)化;最大實驗Q值達到了4130,最小的實驗Q值也有1024。這意味著設(shè)計所得的超構(gòu)表面準BIC模式的Q值具有極高的魯棒性。
本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、廣東省自然科學(xué)基金項目面上項目和深圳市基礎(chǔ)研究重點項目的資助。

圖1. a) 隨不對稱參數(shù)Δy變化的雜化晶格演化示意圖。b)透射譜和c) Q值隨著Δy變化的演化,顯示在短波長處TD-BIC與EQ-BIC發(fā)生相互轉(zhuǎn)化

圖2. a) 所制備的某個硅納米柱超構(gòu)表面的SEM圖。 b) 仿真與實驗Q值隨Δy相對位移的演化。 c,d) 仿真與實驗的透射譜對比
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