基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法与流程

本发明涉及光吸收，尤其是涉及基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法。

背景技术：

1、提高薄膜结构对入射光的吸收对于各种光电应用是非常重要的，尤其是窄带光吸收，在光检测、传感、成像、热发射体和非线性光学等领域都有着巨大的潜力。通常，利用金属纳米结构中的等离子体共振将光聚集到吸收介质中，以此来增强光的吸收，但其较宽的线宽、欧姆热损失和较低的热损伤阈值会降低实际器件的性能，而全介质超构表面则具有更低的损耗，且与cmos兼容的制造工艺和较高的熔点成为理想的制作材料。

2、超构表面中的共振模式是提升薄膜结构的光吸收的有效方法。当一个共振模式的辐射损耗速率等于其本身的吸收损耗速率时，即实现临界耦合条件，可以实现50％的光吸收。近年来发展起来的光学连续域中的束缚态(bound states in the continuum,bic)的概念，提供了一种通过在超构表面单元结构中引入对称性微扰，来调控共振模式辐射速率的新方法，十分适合在超构表面中通过临界耦合的方法来实现窄带光吸收。

3、为了进一步提升薄膜结构的光吸收，研究者在共振超构表面下引入反射镜，比如金属或布拉格结构，以增大光子与吸收薄膜结构的作用。当满足临界耦合条件时，吸收率可以达到100％，但是这种方法会带来在吸收带之外的光波的强烈反射。

4、若要实现吸收带之外的光波全部透射，即透射型完美吸收，需要采用简并临界耦合的机制，即利用一对光谱重叠的简并共振模式，两种模式同时达到临界耦合的状态，每一个共振模式贡献50％的吸收。对于透射型窄带光吸收，这一条件的实现非常苛刻。比如文献【acs photonics 7,1436-1443(2020)】中，利用了一对基于bic机制的高品质因子共振模式，实现了84％的光吸收，这个工作中未能实现接近100％的光吸收的原因在于，这一对bic共振模式受到同一种对称性的保护，任何的结构扰动会同时调控两个bic模式的辐射损耗速率；然而，共振模式的非辐射损耗速率正比于im(ε)|e|2，其中e是该模式的电场，ε是超构表面材料的复介电常数，可以看出非辐射损耗速率和共振模式的场分布相关，不同模式的非辐射损耗速率往往不同，因而很难实现两个简并的共振模式同时实现临界耦合状态，而且相关技术中也不能适应不同的目标波长。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提出基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法，解决现有技术中很难实现两个简并的共振模式同时实现临界耦合状态、不能实现接近100％、不能适应不同的目标波长的光吸收的技术问题。

2、为达到上述技术目的，第一方面，本发明的技术方案提供一种基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法，应用于二聚体纳米块单元结构，所述二聚体纳米块单元结构包括第一纳米块和第二纳米块，所述第一纳米块包括贴近设置的第一纳米单元和第二纳米单元，所述第二纳米块包括贴近设置的第三纳米单元和第四纳米单元，所述二聚体纳米块单元结构的全介质超构表面中的一对简并的共振模式为面内电偶极子bic共振模式(edi-bic)和面外电偶极子bic共振模式(edo-bic)，方法包括以下步骤：

3、通过调整所述第一纳米块和所述第二纳米块之间的距离破坏所述二聚体纳米块单元结构的平移对称性，以使所述面外电偶极子bic共振模式的辐射q因子与所述面外电偶极子bic共振模式的非辐射q因子相匹配，达到所述面外电偶极子bic共振模式临界耦合条件；

4、通过调整所述第一纳米单元和所述第三纳米单元之间的距离破坏所述二聚体纳米块单元结构的反射对称性，以使所述面内电偶极子bic共振模式的辐射q因子与所述面内电偶极子bic共振模式的非辐射q因子相匹配，达到所述面内电偶极子bic共振模式临界耦合条件；

5、调整所述二聚体纳米块单元结构的尺寸参数，以调控所述面内电偶极子bic共振模式和所述面外电偶极子bic共振模式的共振波长，在任意给定的波长情况，实现在简并临界耦合条件下光吸收率的提升。

6、与现有技术相比，本发明提供的基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法的有益效果包括：

7、本发明提供的基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法，采用了二聚体介质超构表面中支持的两种简并高品质因子bic共振模式，面内电偶极子bic共振模式(edi-bic)和面外电偶极子bic共振模式(edo-bic)，这两种bic共振模式受到不同的对称性保护，即edi-bic受到超构表面单元结构中反射对称性(reflection symmetry，rs)保护，edo-bic受到超构表面单元结构阵列平移对称性(translational symmetry，ts)保护，调节这种超构表面中的单元结构形貌，可以对这两种对称性进行扰动，它们的辐射损耗速率(辐射q因子)可以通过对单元结构的反射对称性和平移对称性进行微扰，实现独立的调控，适于精确匹配简并临界耦合过程中辐射和非辐射损耗速率，能够同时在两种共振模式下满足临界耦合条件，单个共振模式实现50％的光吸收，基于简并临界耦合的物理机制，本发明可以实现99％以上的光吸收，从而实现透射型窄带近完美光吸收。通过对二聚体纳米块单元结构的参数调控，还可以在任意波长处实现窄带近完美光吸收，在光探测和传感领域中能发挥重要的作用。

8、根据本发明的一些实施例，在简并临界耦合条件下，光吸收率在99％以上。

9、根据本发明的一些实施例，对所述二聚体纳米块单元结构的平移对称性、反射对称性的扰动，包括步骤：

10、所述第一纳米单元和所述第三纳米单元之间的距离为d1，所述第二纳米单元和所述第四纳米单元之间的距离为d2，所述二聚体纳米块单元结构平均间距定义为davg＝(d1+d2)/2；

11、所述二聚体纳米块单元结构的周期是p，若所述第一纳米块和所述第二纳米块中心未发生位错，定义为未扰动的单元结构，反射微扰δd＝|d1-d2|，即δd＝0，d1＝d2＝d0＝(p-2lx)/2，所述第一纳米块和所述第二纳米块在x，y和z方向上的长度分别为lx、ly和lz；

12、调节所述二聚体纳米块单元结构的反射对称特性，反射微扰δd＝|d1-d2|，若δd≠0，而davg＝d0，则所述二聚体纳米块单元结构中仅有反射对称性被破坏，edi-bic的辐射q因子变为有限值，而edo-bic的q因子依然保持无穷大；

13、若δdavg＝|davg-d0|≠0，δd＝0，则所述二聚体纳米块单元结构的平移对称性被打破，这时edo-bic的q因子变为有限值，而edi-bic的q因子保持无限大。

14、根据本发明的一些实施例，调整所述二聚体纳米块单元结构的尺寸参数，以调控所述面内电偶极子bic共振模式和所述面外电偶极子bic共振模式的共振波长，包括步骤：通过调整所述第一纳米块和所述第二纳米块在y和z方向上的长度，以调控所述面内电偶极子bic共振模式和所述面外电偶极子bic共振模式的共振波长。

15、根据本发明的一些实施例，所述光吸收率的计算式：

16、

17、其中ωi是第i个共振模式的共振频率，qri和qni是第i个共振的辐射和非辐射q因子，计算出表征谐振腔总能量泄漏率的q因子为1/q＝1/qr+1/qn；

18、当两个共振模式具有相同的共振频率，即ω1＝ω2，并且每个共振模式的辐射q因子与非辐射q因子相匹配，即qr1＝qn1，qr2＝qn2时，能够实现100％的光吸收。

19、第二方面，本发明的技术方案提供一种近红外窄带近完美光吸收体，根据第一方面中任意一项的基于全介质超构表面的窄带近完美光吸收方法调整参数，吸收体包括二聚体纳米块单元结构，所述二聚体纳米块单元结构包括第一纳米块和第二纳米块，所述第一纳米块包括贴近设置的第一纳米单元和第二纳米单元，所述第二纳米块包括贴近设置的第三纳米单元和第四纳米单元，

20、所述第一纳米单元和所述第三纳米单元之间的距离为d1，所述第二纳米单元和所述第四纳米单元之间的距离为d2，所述二聚体纳米块单元结构平均间距定义为davg＝(d1+d2)/2，调节所述二聚体纳米块单元结构的反射对称特性，反射微扰δd＝|d1-d2|，所述第一纳米块和所述第二纳米块在x，y和z方向上的长度分别为lx、ly和lz，调节所述二聚体纳米块单元结构的平移对称性，平移微扰δdavg＝|davg-d0|；

21、所述二聚体纳米块单元结构的周期是p，p＝900nm；

22、当目标的吸收波长为1550nm，激发光为沿着x轴偏振的线偏振光，所述第一纳米块和所述第二纳米块宽度lx取值范围100nm-200nm，深度ly取值范围293nm-392nm，厚度lz取值范围303nm-400nm，平移微扰取值范围44nm-160nm，反射微扰取值范围30nm-46nm。

23、根据本发明的一些实施例，所述第一纳米块和所述第二纳米块宽度lx取值100nm，深度ly取值392.56nm，厚度lz取值400nm，平移微扰取值160nm，反射微扰取值范围46nm。

24、根据本发明的一些实施例，所述第一纳米块和所述第二纳米块宽度lx取值150nm，深度ly取值322.88nm，厚度lz取值333nm，平移微扰取值90nm，反射微扰取值范围39nm。

25、根据本发明的一些实施例，所述第一纳米块和所述第二纳米块宽度lx取值200nm，深度ly取值293.60nm，厚度lz取值303.2nm，平移微扰取值44nm，反射微扰取值范围30nm。

26、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。