應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)中長(zhǎng)波紅外光學(xué)折射率傳感器
近日,應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張宇昊博士研究生提出了一種中長(zhǎng)波紅外波段8-12μm (25 THz-37.5 THz)的光學(xué)折射率傳感器。該傳感器基于“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)陣列的法諾共振,利用有限時(shí)域差分方法分析了其在紅外波段的反射光譜和近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布。該結(jié)構(gòu)對(duì)周圍物質(zhì)的折射率變化敏感,傳感靈敏度高達(dá)986nm/RIU,平均品質(zhì)因數(shù)為29。同時(shí),該結(jié)構(gòu)對(duì)入射光電場(chǎng)的偏振方向不敏感,該研究在光學(xué)傳感、生物傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有重要意義。
傳統(tǒng)的光學(xué)器件通過(guò)光的反射、折射等特性來(lái)進(jìn)行光的調(diào)控,體積通常較大。為了滿足現(xiàn)代化光電子器件對(duì)小型化和高集成度的要求,基于Fano共振的納米材料由于其優(yōu)異的光學(xué)特性,在高靈敏度生物傳感、快速響應(yīng)的光學(xué)開(kāi)關(guān)、納米光電器件等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,逐漸成為光調(diào)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
Fano共振能夠在很多微納系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),其中,基于局域表面等離子體共振的金屬微納結(jié)構(gòu)能夠在器件表面實(shí)現(xiàn)顯著的局域場(chǎng)增強(qiáng)和有效的光場(chǎng)調(diào)控,經(jīng)常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)生物傳感、材料的吸收增強(qiáng)與發(fā)光增強(qiáng)等領(lǐng)域。然而,由于金、銀等金屬材料中自由電子的振蕩導(dǎo)致了很強(qiáng)的輻射損耗,限制了其在納米光子學(xué)中的應(yīng)用。
最近,人們發(fā)現(xiàn)高折射率的鍺、硅等全介質(zhì)微納器件可以解決金屬結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題。與金屬微納器件相比較,全介質(zhì)微納器件不僅損耗較小,能夠?qū)崿F(xiàn)高的品質(zhì)因子和場(chǎng)增強(qiáng),而且光場(chǎng)主要被束縛在器件內(nèi)部,有利于增強(qiáng)材料內(nèi)部與物質(zhì)的相互作用。除此之外電介質(zhì)材料器件的制造成本低,與CMOS工藝兼容,基于電介質(zhì)材料的超表面逐漸成為更好的選擇。
如圖1所示,是提出的“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)是由氟化鋇襯底上的十字棒狀和四個(gè)圓環(huán)分布的周期陣列組成。P是周期,大小為為6。L1、L2分別是棒狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)和寬,數(shù)值分別為L(zhǎng)1=0.6μm,L2=5.6μm。R和r分別是圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外圓半徑和內(nèi)圓半徑,大小分別為R=1μm,r=0.5μm?!凹榻Y(jié)”結(jié)構(gòu)均由Si構(gòu)成,其厚度t的大小為1。襯底氟化鋇與硅層存在較大的折射率差,使得該器件具有很大的光束縛能力。為了測(cè)試所提出的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能,采用有限時(shí)域差分方法(FDTD)仿真反射光譜,得到的仿真結(jié)果如圖1(c)所示,插圖為窄帶反射位置的光譜放大圖,可以清晰地看到在7.3μm處達(dá)到“完美”反射,反射率高達(dá)94%,并且?guī)捴挥?4nm,也就導(dǎo)致Q值高達(dá)到520。
圖1 “吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論模型示意圖。
(a)“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)陣列及入射光示意圖;
(b)“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)上視圖及相關(guān)尺寸標(biāo)注;
(c)圖示入射光照射下“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)陣列的反射光譜圖,插圖為共振峰位置的放大圖
高Q共振是由Fano共振晶胞實(shí)現(xiàn)的,其中,諧振器之間的相互作用以及吸收損耗的減小,可以使輻射阻尼和非輻射阻尼最小化。十字棒狀結(jié)構(gòu)與入射空間的自由空間激發(fā)緊密耦合,支持電偶極子,集體振蕩形成“亮”模式。法向入射的光不能直接激發(fā)圓環(huán)的磁偶極子模式,通過(guò)近場(chǎng)耦合的相互作用,導(dǎo)致圓環(huán)諧振器的集體振蕩并抑制輻射損耗,從而形成系統(tǒng)的“暗”模式。這兩種模式互相耦合,形成了一個(gè)非對(duì)稱的Fano共振譜線,仿真得到的近場(chǎng)分布如圖2所示。
圖2 共振峰位置的近場(chǎng)分布圖。
入射光電場(chǎng)平行于x-軸時(shí)(a)x-y面的電場(chǎng)能量分布;
(b)x-y面的磁場(chǎng)能量分布;(c)x-z面的磁場(chǎng)能量分布;
入射光電場(chǎng)偏振角度為45度時(shí)(d)x-y面的電場(chǎng)能量分布;
(e)x-y面的磁場(chǎng)能量分布;
(f)x-z面的磁場(chǎng)能量分布
由于非常窄的線寬,此設(shè)計(jì)的一個(gè)應(yīng)用方向就是光學(xué)折射率傳感器。本文所設(shè)計(jì)的介質(zhì)超表面對(duì)待測(cè)物質(zhì)的折射率的變化敏感,圖3為待測(cè)物質(zhì)示意圖。通過(guò)FDTD的方法,我們仿真了待測(cè)物質(zhì)的折射率從1.33-2.0變化的共振光譜曲線,變化步長(zhǎng)為0.005,得到的結(jié)果展示在圖4中。隨著待測(cè)物質(zhì)折射率的增大,共振峰的位置發(fā)生了明顯的紅移,值得注意的是,本文所設(shè)計(jì)的介質(zhì)超表面對(duì)待測(cè)物質(zhì)的折射率變化測(cè)量范圍并不局限于這個(gè)范圍且折射率傳感的分辨率小于0.001。
圖3 中紅外光學(xué)折射率傳感平臺(tái)及待測(cè)物質(zhì)示意圖
圖4
(a)待測(cè)物質(zhì)折射率從1.33-2.0變化仿真得到的反射圖,
(b)待測(cè)物質(zhì)折射率從1.33-1.40變化仿真得到的反射圖,
(c)待測(cè)物質(zhì)折射率變化為0.001時(shí)仿真得到的反射光譜圖
通常,描述和對(duì)比光學(xué)折射率傳感器性能的一個(gè)重要參數(shù)就是靈敏度(S),表示的是單位折射率變化時(shí)共振峰位置的偏移量,下面的表格展示了我們提出的折射率傳感器的特征參數(shù)分析。
本文采用有限時(shí)域差分方法研究了基于電介質(zhì)材料的“吉祥結(jié)”微納結(jié)構(gòu)的共振特性,并分析其紅外波段的反射光譜和近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布。所設(shè)計(jì)的介質(zhì)超表面對(duì)周邊的環(huán)境折射率變化敏感,傳感靈敏度高達(dá)986nm/RIU,最大Q值高達(dá)520,品質(zhì)因數(shù)(FoM)為29,共振的移相時(shí)間僅為1.8ps。除此之外,所設(shè)計(jì)的介質(zhì)超表面的共振對(duì)入射光電場(chǎng)的偏振方向不敏感,當(dāng)改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)時(shí),共振并不會(huì)消失。由于電介質(zhì)材料的使用,改善了使用金屬材料時(shí)普遍偏低的品質(zhì)因數(shù),并和發(fā)達(dá)的CMOS工藝相兼容,使該設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化生產(chǎn)。該研究在光學(xué)傳感、生物傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面均具有重要意義。