人工局域表面等离激元准连续域束缚态

倩倩 2022-09-21 2633

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描述

人工局域表面等离激元（LSSPs）具有亚波长压缩和近场增强的优异特性，受到了研究人员的广泛关注。但是它的Q值普遍不是很高，这是由于材料损耗和辐射损耗；其中，材料损耗不可避免，而辐射损耗可以通过准连续域中的束缚态（准BIC）得到显著抑制。准BIC是相对BIC而言的。BIC位于连续域中，但是被完美地限制，没有任何远场辐射，也无法被入射波激发。它有着无限窄的谐振峰和无限大的Q值。BIC主要分为偶然BIC和对称保护BIC；其中，对称保护BIC由于系统的镜像对称性或旋转对称性而形成，通过打破对称性，它将转化准BIC，从而被入射波激发。准BIC的Q值退化为有限值，但由于辐射损耗很弱，Q值依然很高。根据这个特点，北京大学电子学院刘濮鲲教授、杜朝海研究员团队提出了LSSPs准BIC，降低了LSSPs的辐射损耗，提高了LSSPs的Q值。

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图1.同心圆光栅和偏心圆光栅超表面当线极化平面波法向入射到同心圆光栅超表面时，只有TE11被激发，TE21及以上的高阶模式具有旋转对称性，是对称保护BIC，与入射波完全解耦合，无法被激发。

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图2.同心圆光栅超表面仿真结果

因此，本文创新性地设计了偏心圆光栅超表面，打破了旋转对称性。这样，TE21及以上的高阶模式由对称保护BIC转化为准BIC，与入射波耦合，从而被激发。准BIC的辐射损耗很弱，因此高阶模式的谐振峰很尖锐、Q值很高。TE11-TE31的电磁场分布尽管有些扭曲，但仍然呈现出LSSPs的典型图案。研究表明LSSPs准BIC的Q值和圆光栅的偏心率成平方反比的关系。

图3.偏心圆光栅仿真结果团队在微波频段开展实验，在偏心圆光栅超表面的频谱中成功观察到了高阶模式的尖锐的谐振峰，证实了LSSPs准BIC的存在，计算得到的Q值高达214.8。本文还讨论了入射波极化方向和材料损耗对LSSPs准BIC的影响。

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图4.LSSPs准BIC实验结果LSSPs准BIC具有较低的辐射损耗和较高的Q值，有望应用于传感、隐身、通信等领域。研究工作以“Quasi-Bound States in the Continuum of Localized Spoof Surface Plasmons”（人工局域表面等离激元准连续域束缚态）为题发表在美国化学会旗下期刊《ACS Photonics》（影响因子：7.1）。文章通信作者为杜朝海研究员。文章链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00673

审核编辑：李倩

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