Hybride in-plane en out-of-plane gekoppelde plasmonische metasurfaces voor verbeterde optische activiteit

Samenvatting

Plasmonische metasurfaces hebben in de laatste jaren veel aandacht getrokken vanwege veelbelovende toepassingen zoals polarisatieschakeling, lokale elektrisch veldversterking (FE), nabij-perfecte absorptie, sensing, trage-lichtapparaten en nano-antennes. Echter, veel problemen in deze toepassingen, zoals alleen gigahertz-schakelsnelheden van elektro-optische schakelaars, lage kwaliteitsfactor (Q) van plasmonische resonanties, en relatief lage figuur van verdienste (FOM) van sensing, beperken de verdere ontwikkeling van plasmonische metasurfaces. Bovendien is het uitdagend om te werken als nano-antennes zowel lokale elektrische FE boven 100 als nabij-perfecte absorptie boven 99% te realiseren. Hier rapporteren we, met behulp van de eindige-elementenmethode en de eindige-verschillen-tijddomeinmethode respectievelijk, voor het eerst een nieuwe optisch instelbare plasmonische metasurface gebaseerd op de hybridisatie van in-plane nabij-veldkoppeling en out-of-plane nabij-veldkoppeling, wat een goede oplossing biedt voor deze serieuze en urgente problemen. Een fysiek fenomeen van elektromagnetisch geïnduceerde transparantie wordt verkregen door destructieve interferentie tussen twee plasmonmodes. Tegelijkertijd worden ultrascherpe perfecte absorptiepieken met ultra-hoge Q-factor (221,43) bereikt rond 1550 nm, wat kan leiden tot een ultra-hoge FOM (214,29) in sensing-toepassingen. In het bijzonder wordt deze metasurface, door gebruik te maken van indium-gedote CdO, voor het eerst gedemonstreerd als een femtoseconde optische reflectieve polarisator in het nabij-infraroodgebied, met een ultra-hoge polarisatie-uitwisverhouding. Daarnaast bereikt deze metasurface, als nano-antennes functionerend, voor het eerst gelijktijdig sterke lokale elektrische FE (|E_loc|/|E_0| > 100) en een nabij-perfecte absorptie boven 99,9%, wat een breed scala aan toepassingen ten goede zal komen, waaronder fotokatalytische watersplitsing en oppervlakte-versterkte infraroodabsorptie.

Achtergrond

Plasmonische metasurfaces, als tweedimensionale versies van metamaterialen, hebben een breed scala aan veelbelovende fenomena en toepassingen, waaronder polarisatieschakeling, straalrotator, Fano-resonantie, nano-antennes, negatieve brekingsindex, nabij-perfecte absorbers en onzichtbaarheidskluizing. Vooral veel aandacht is besteed aan het bestuderen van het elektromagnetisch geïnduceerde transparantie (EIT) fenomeen en Fano-resonantie gebaseerd op plasmonische metasurfaces vanwege veel potentiële toepassingen zoals oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing (SERS), oppervlakte-versterkte infraroodabsorptie (SEIRA), brekingsindex-sensing, en kwantuminformatieopslag. De concepten van EIT en Fano-resonantie zijn beide oorspronkelijk ontdekt in kwantumsystemen. EIT wordt verkregen door destructieve interferentie tussen twee plasmonmodes in een klassiek systeem. Als de EIT ontstaat wanneer een nauwere plasmonmode destructief interfereert met een bredere plasmonmode, zal het resulterende spectrum een Fano-lijvorm hebben. Zhang et al. realiseerden voor het eerst Fano-resonantie en EIT in een plasmonische nanostructuur met een helder en donker element in één vlak. Echter, voor de meeste gerapporteerde plasmonische metasurfaces gebaseerd op in-plane plasmonische koppeling die werken in een zichtbaar of nabij-infrarood (NIR) gebied, wordt de koppelsterkte bepaald door de nauwkeurige grootte van de spleet tussen resonerende elementen, maar het bereiken van nauwkeurige, sub-10-nm spleten is nog steeds een uitdaging vanwege de beperkingen van de huidige fabricagetechnologie. Deze nanostructuren zijn sterk afhankelijk van de kleine inter-deeltjesafstand, wat niet gunstig is voor grootschalige productie. In tegenstelling tot de metasurface gebaseerd op in-plane koppelingeffect, demonstreerde Liu et al. experimenteel plasmonische EIT met behulp van verticale stacking van metamateriaalelementen voor het eerst. Vervolgens zijn een aantal metamaterialen (of metasurfaces) gebaseerd op het vlakke of verticale ontwerp van plasmonische nanostructuren recentelijk voorgesteld en gedemonstreerd om EIT-achtige fenomenen en Fano-resonanties te bereiken. Amin et al. demonstreerden de asymmetrische Fano-achtige spectrale lijvorm en een smal EIT-venster in de respons van de resonator geconstrueerd met zowel de goudframe en de grafeenpatch in één vlak. Echter, de kwaliteitsfactor van de Fano-resonantie in deze metaalstructuur is erg laag vanwege optische verliezen in metaal die significante verbreiding van de plasmonische resonanties veroorzaken, wat ook een extreem veelvoorkomend probleem is in plasmonische nanostructuren die metalen gebruiken. Onze kennis naar zijn de Q-factoren van de meeste gerapporteerde Fano-resonanties in het zichtbare en NIR gebied doorgaans lager dan 10. Recentelijk demonstreerde Dayal et al. een whispering-gallery-mode-gebaseerde metaal-met surfaces die hoge Q (bereikend 79) plasmonische Fano-resonanties realiseren bij NIR-frequenties. Echter, deze gerapporteerde Fano-resonantie kan alleen bereikt worden op een specifieke golflengte, wat ook een ander gemeenschappelijk probleem is dat de verdere ontwikkelingen en toepassingen van het Fano-resonantie of EIT-fenomeen ernstig beperkt. De actieve manipulatie van Fano-resonantie of EIT-venster is zeer wenselijk voor veel praktische toepassingen. Xia et al. ontwierpen en demonstreerden numeriek een instelbaar PIT-systeem samengesteld uit sinusoïdaal gebogen en vlakke grafeenlagen, wat elk van de patronen van het grafeenblad kan vermijden. In 2017 bereikten Yang et al. experimenteel een hoog instelbare absorptieresonantie met hoge-kwaliteitsfactor, die voor het eerst gedemonstreerd werd als een femtoseconde optische polarisatieschakeling gebaseerd op een plasmonische metasurface in een midden-infraroodgebied. Bovendien werd een maximale elektrisch veldversterking van 41,8 waargenomen in dit werk. Het is wenselijk om plasmonische nano-antennes in te zetten die resulteren in niet alleen "hot spots" met een grote lokale veldversterking, maar ook een nabij-perfecte absorptie. Hoewel enorme vooruitgang in de verkenning van het verbeteren van de lokale elektrische veldversterking en het verbeteren van de absorptie, blijft het bereiken van sterke lokale elektrische veldversterkingen (|E_loc|/|E_0| > 100) en nabij-perfecte absorptie (> 99%) gelijktijdig een uitdaging, wat een breed scala aan toepassingen ten goede zal komen, waaronder plasmonische sensoren, fotokatalytische watersplitsing, SERS, en SEIRA. Aan de andere kant, behalve de polarisatieschakeling gerapporteerd door Yang et al., zijn de meeste traditionele polarisatie-selectieve apparaten, zoals golfplaten en polarisatoren gebaseerd op elektro-optische effecten, ofwel statisch ofwel werkend met alleen gigahertz-schakelsnelheden, wat beperkt wordt door de vereiste elektronica. Dus, voor de fenomenen of toepassingen van EIT-effect, Fano-resonantie, en plasmonische nano-antennes gebaseerd op een plasmonische metasurface, lijden de meeste eerder gerapporteerde werken meestal onder deze serieuze en urgente problemen: (i) de verbreiding van plasmonische resonanties door grote optische verliezen in metalen; (ii) onafstelbare werkende golflengte van EIT-effect of Fano-resonanties; (iii) de uitdaging om sterke lokale elektrische veldversterkingen (|E_loc|/|E_0| > 100) en nabij-perfecte absorptie (> 99%) gelijktijdig te bereiken; (iv) doorgaans alleen gigahertz-schakelsnelheden van polarisatie-selectieve apparaten die werken in zichtbaar of NIR gebied.

In dit werk, met behulp van de eindige-verschillen-tijddomein (FDTD) en de eindige-elementenmethode (FEM) respectievelijk, stellen we voor en demonsteren we numeriek een optisch actieve plasmonische metasurface gebaseerd op de hybridisatie van in-plane koppeling en out-of-plane koppeling. In dit metasurface-systeem kan het EIT-achtige effect bereikt worden door de structuursymmetrie te breken, en de werkende golflengte van de EIT-vensters kan worden afgestemd door de brekingsindex van de CdO-laag te veranderen, wat optisch kan worden gecontroleerd door de pomplicht aan te passen. In dit EIT-achtige reflectiespectrum wordt een hoge Q-factor plasmonische resonantie verkregen op een golflengte van 1550 nm, wat veel hoger is dan die van eerdere gerapporteerde werken. In het bijzonder, vanwege de polarisatie-onafhankelijkheid van de metasurface, kan deze plasmonische metasurface met In-gedote cadmium ook functioneren als een femtoseconde polarisatieschakelaar voor TM-gepolariiseerd licht bij 1550 nm. Door de pomplicht aan te passen, verschuiven we de plasmonische resonanties spectraal naar de rode kant, en de metasurface bereikt een grote modulatiediepte van de reflectie van het TM-gepolariiseerde licht van 0,003 tot 60%, terwijl een nabij-een reflectie voor de TE-golflengte behouden blijft. Onze kennis naar is een dergelijke grote modulatiediepte ver ver hoger dan die van eerdere gerapporteerde plasmonische schakelsystemen. Merk op dat de femtoseconde polarisatieschakelaar voor het eerst numeriek is gedemonstreerd op basis van de plasmonische metasurface via de hybridisatie van in-plane koppeling en out-of-plane koppeling. Tegelijkertijd kan deze metasurface nabij-perfecte absorptie boven 99,9% en maximale elektrische veldversterking bereikend 108 bereiken, en de sterke elektrische versterking is beperkt tot een cirkelvormig gebied met een diameter van slechts 3 nm, wat zeer gunstig is voor enkel-molecuuldetectie voor veel oppervlakte-versterkte spectroscopieën. Bovendien, vanwege de gevoeligheid voor brekingsindexverandering en de ultra-scherpe plasmonische resonantie, kan deze metasurface ook werken als een ultra-hoge figuur van verdienste (FOM) brekingsindexsensor.

Methoden

De voorgestelde metasurface is schematisch weergegeven in Fig. 1a. Figuur 1b presenteert de doorsnede van één eenheidscel van de metasurface met geometrische parameters, die bestaat uit twee groepen gouden balken en een polymere laag. Elke groep heeft twee gouden balken gescheiden door een nanospleet. Eén groep gouden balken wordt op de polymere laag geplaatst, en de andere groep gouden balken was in de polymere laag ingesloten. De asymmetrische gouden nanobalkarray is periodiek gerangschikt op de dikke gouden substraat met een periodiciteit van P = 1395 nm. De voorgestelde metasurface wordt belicht door een normaal inval TM-licht (de magnetische component loodrecht op het invalslicht). In deze berekening, om de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de gesimuleerde resultaten te garanderen, gebruiken we FDTD en FEM methoden om respectievelijk de optische eigenschappen en elektromagnetische veldverdelingen van de voorgestelde metasurface te berekenen. De FEM-berekening wordt uitgevoerd door commerciële software COMSOL MULTIPHYSICS. De periodieke randvoorwaarde wordt toegepast in de x-richting en we stellen de perfect matched layer (PML) in op de grens van de y-richting. De maasgrootte is 0,8 nm in zowel x- als y-richting. De permitiviteit van Au wordt beschreven door het Drude-model, en de brekingsindex van het polymer is 1,5. De simulatiesimulatie wordt verondersteld in lucht met n_air = 1. De absorptie wordt gegeven door A = 1 - R, vanwege een ondoorzichtige Au-substraat (T = 0).

Resultaten en Discussie

Zoals getoond in Fig. 2a, berekenen en tonen we de reflectie- en absorptiespectra van de voorgestelde metasurface rond 1550 nm bij normale inval onder TM-gepolariiseerd licht. Voor het absorptiespectrum zijn er twee duidelijke absorptiepieken gelegen op 1550 en 1588 nm met een nabij-perfecte absorptie-efficiëntie boven 99,9%, respectievelijk. Uit het reflectiespectrum getoond in Fig. 2b, observeren we een EIT-achtige spectrale respons van deze metasurface in dit golflengtebereik, en dezelfde resultaten van reflectiespectra worden gedemonstreerd door het gebruik van FDTD en FEM, respectievelijk. Het reflectiespectrum van de voorgestelde metasurface onder TE-polarisatie (de elektrische component loodrecht op het invalsvlak) wordt ook gepresenteerd in Fig. 2b met een zwarte lijn, en de reflectie is dicht bij één, wat aangeeft dat er geen absorptie optreedt in deze metasurface voor TE-polarisatie. De polarisatie-afhankelijkheid van deze metasurface kan gemakkelijk worden verklaard door het asymmetrische ontwerp van de voorgestelde metasurface. Daarom koppelt deze metasurface efficiënt voor TM-polarisatie en blijft donker voor TE-polarisatie.

Om het EIT-achtige fenomeen van de voorgestelde metasurface in Fig. 2a gemakkelijk te verklaren, overwegen we initieel een relatief eenvoudige metasurface zonder nanospleet getoond in Fig. 2c, die samengesteld is uit twee gouden nanobalken met verschillende afstanden van het gouden substraat. Het reflectiespectrum van deze metasurface zonder nanospleet wordt berekend en afgebeeld in Fig. 2d. Duidelijk is, een EIT-achtige spectrale respons met een asymmetrische lijvorm ontstaat, wat mogelijk te wijten is aan het koppelingseffect tussen de twee gouden balken. Vervolgens wordt het symmetriebrekingsproces (Fig. 3a-c) van de structuur onderzocht om het onderliggende vormingsproces van het EIT-achtige venster te verduidelijken. De variaties van de reflectieve spectra met veranderende ∆d worden berekend en afgebeeld in Fig. 3d. Voor ∆d = 0, is er slechts één reflectiedip rond 1653 nm in het werkende golflengtebereik, zoals getoond in Fig. 3e. Naarmate ∆d toeneemt, merken we dat er de EIT-achtige spectrale respons met twee reflectiedips (ω_Left en ω_Right) verschijnt. Als ∆d verder toeneemt, kan de ω_Left-mode verder worden versterkt, en deze berekende resultaten geven aan dat de ω_Left-mode zeer relevant kan zijn voor de gouden nanobalk A. Tegelijkertijd, met toenemende ∆d, toont de resonantiegolflengte van de ω_Left-mode een lichte rode verschuiving, en de resonantiegolflengte van de ω_Right-mode blijft bijna onveranderd rond 1653 nm. Door de bovenstaande analyse kan de generatie van EIT-achtige fenomenen worden toegeschreven aan de asymmetrie van de nanostructuur. Bovendien, om de plasmonische resonantie op 1395 nm in de reflectiespectra getoond in Fig. 3d, g te interpreteren, worden de reflectiespectra vergeleken tussen de ontworpen metasurface en de metaalroosterstructuur (zie invoeging van Fig. 3g). Voor de metaalroosterstructuur is er ook een resonantiedip op 1395 nm, voortkomend uit de excitatie van oppervlakte-plasmon-polaritonen (SPP) uit eerdere gerapporteerde studies. Dus, de plasmonische resonantie van deze metasurface op 1395 nm wordt veroorzaakt door de excitatie van SPP.

Vervolgens onderzoeken we ook respectievelijk de reflectiespectra van de metasurface geconstrueerd met film-gekoppelde nanobalksystemen met alleen de gouden nanobalk A en de gouden nanobalk B, zoals getoond in Fig. 4a, b. Wanneer apart geëxciteerd met TM-invalslicht, wordt een nauwere plasmonmode (ω_A) geëxciteerd in de metasurface met gouden nanobalk A, en een bredere plasmonmode (ω_B) wordt waargenomen in de metasurface met gouden nanobalk B. Om het fysieke mechanisme achter deze twee plasmonmodes duidelijker te illustreren, berekenen we respectievelijk de magnetische veldverdelingen bij deze twee reflectiedips, zoals getoond in Fig. 4c, d. De rode pijlen tonen stromen terwijl de kleurenkaart de grootte van het magnetische veld presenteert. Voor de ω_A-mode getoond in Fig. 4a, kan worden waargenomen dat het magnetische veld beperkt is tot de spleet tussen de gouden nanobalk A en het gouden substraat. Bovendien worden antiparallele stromen waargenomen aan de boven- en onderkant van de interne metaalinterfaces. Daarom is de plasmonmode voornamelijk geassocieerd met magnetische resonantie veroorzaakt door circulerende stromen, en de invalslichtenergie wordt gedissipeerd door de ohmse verlies van het metaal, wat de reflectiedip in de ω_A-mode veroorzaakt. Vervolgens, voor de ω_B-mode in Fig. 4b, zijn de circulerende stromen in de tegenovergestelde richting ten opzichte van die van de stromen van de ω_A-mode, wat ook de magnetische resonantie kan exciteren. Voor het film-gekoppelde nanobalkssysteem met zowel gouden nanobalk A als gouden nanobalk B, kan het fenomeen in Fig. 5a ook worden behandeld als dubbele Fano-resonanties met twee reflectiedips (ω_Left en ω_Right) vanwege de asymmetrische lijvorm. Deze asymmetrische Fano-achtige spectrale lijvorm en een EIT-achtig venster wordt verkregen uit de destructieve interferentie tussen de nauwere plasmonmode (ω_A) getoond in Fig. 4a en de bredere plasmonmode (ω_B) getoond in Fig. 4b. Onze kennis naar zijn Fano-resonanties voor het eerst waargenomen in kunstmatig gestructureerde arrays van dezelfde vorm resonators met asymmetrische posities.

Om het fysieke mechanisme achter deze twee plasmonische resonanties (ω_Left en ω_Right) getoond in Fig. 4c verder te verkennen, worden de magnetische veld H en elektrische veld |E_loc|/|E_0| verdelingen bij de golflengtes van deze twee resonanties berekend en afgebeeld in Fig. 5. Aan de ene kant, volgens Fig. 5b, c, zijn de magnetische velden voornamelijk gelokaliseerd in de dielectrische laag tussen de gouden balken en het gouden substraat, wat het kenmerkende kenmerk is van de out-of-plane koppeling tussen de gouden balken en het Au-substraat. Duidelijk worden verschillende veldverdelingen waargenomen voor deze twee resonanties geëxciteerd bij twee absorptiepieken. Voor de ω_Left-mode, is het magnetische veld gelokaliseerd in de spleet tussen de gouden nanobalk A en het gouden substraat, wat aangeeft dat de ω_Left-mode nauw gerelateerd is aan de out-of-plane koppeling tussen de gouden nanobalk A en het gouden substraat, wat vergelijkbaar is maar niet hetzelfde als het magnetische veld van de ω_A-mode in Fig. 4c vanwege de koppeling tussen de ω_A-mode en ω_B-mode. Voor de ω_Right-mode, is het magnetische veld gelokaliseerd in de nanospleet tussen de gouden nanobalk B en het substraat. Daarom wordt de ω_Right-mode voornamelijk bijgedragen door de out-of-plane koppeling tussen de gouden nanobalk B en het gouden substraat. Aan de andere kant, de elektrische velden zijn sterk versterkt en gelokaliseerd in een ultrasmall gebied aan de randen van de gouden balken. Vervolgens, behalve de fysische fenomenen van EIT, kan deze metasurface ook worden behandeld als plasmonische nano-antennes (PNs), die de vrijruimte invalslichten insluiten in een sub-golflengte regio met de lokale veldversterking, wat een heel belangrijk en fundamenteel onderzoek is voor nanofotonische systemen. Hier wordt de factor |E_loc|/|E_0| gedefinieerd om de prestaties van lokale elektrische veldversterkingen van PNs te evalueren. Zoals getoond in Fig. 5d, e, kunnen de lokale elektrische veldversterkingen van de metasurface zo hoog oplopen als 75. Echter, hoewel lokale elektrische veldversterkingen bereikt worden met film-gekoppelde nanobalksystemen, is er volgens Fig. 4c nog een aanzienlijke hoeveelheid werk te verrichten om een nabij-perfecte absorptie te realiseren, wat resulteert in een kleine modulatiediepte. Uit eerdere onderzoeken weten we dat het bereiken van zowel grote lokale elektrische veldversterking als nabij-perfecte absorptie een breed scala aan toepassingen ten goede zal komen, waaronder plasmonische sensoren, fotokatalytische watersplitsing, SERS, en SEIRA. Bovendien toont deze metasurfacesructuur een relatief bredere lijndikte. Omdat de Q-factor van de plasmonische resonantie gedefinieerd wordt als Q = λ/volledige breedte op half maximum (FWHM), zal een bredere resonantie leiden tot een lagere Q plasmonische resonantie. Daarom kunnen de brede FWHM en kleine modulatiediepte van die resonanties toepassingen zoals brekingsindexsensing, polarisatieschakeling, en vertragen van licht belemmeren, waar een scherpe spectrale respons gewenst is.

Om gelijktijdig grote lokale elektrische veldversterking, nabij-perfecte absorptie, en hoge Q-factor resonantie te realiseren, introduceren we hier het concept van de hybridisatie van out-of-plane plasmonkoppeling en in-plane plasmonkoppeling in dit werk. Duidelijk, in vergelijking met de film-gekoppelde nanobalkmetasurface gebaseerd op out-of-plane koppeling, heeft deze voorgestelde metasurface in Fig. 1 superieure absorptie-eigenschappen zoals getoond in Fig. 2. In het bijzonder, de FWHM van de plasmonische resonantie op 1550 nm is 7 nm, wat resulteert in een Q-factor (Q = λ/FWHM = 1550 nm/7 nm) van 221,43, wat veel hoger is dan die van eerdere gerapporteerde werken. Vervolgens, om meer fysieke inzichten te krijgen in de hoge-Q Fano-resonanties en de perfecte absorptie voortkomend uit de oorspronkelijke metasurface in Fig. 1, plotten we de gesimuleerde magnetische en elektrische veldverdeling bij resonantiegolflengtes van 1550 nm (ω_1) en 1588 nm (ω_2), zoals getoond in Fig. 6. Duidelijk is het magnetische veld voornamelijk gelegen in de spleet tussen de gouden balk en het gouden substraat, en een deel van het magnetische veld wordt doorgegeven naar de nanospleet tussen twee gouden nanobalken. Verschillend van het elektrisch veld alleen voortkomend uit de out-of-plane koppeling zoals getoond in Fig. 5d, e, is het elektrisch veld van deze voorgestelde metasurface ook sterk gelokaliseerd in een ultrasmall gebied tussen de twee gouden balken volgens Fig. 6c, d, wat de sterke gelokaliseerde oppervlakte-plasmon (LSP) koppeling tussen de twee gouden nanobalken betekent. Figuur 6c toont dat de maximale elektrische veldversterking bij de resonantiegolflengte zo hoog kan oplopen als 108, ongeveer 1,4 keer vergeleken met de alleen film-gekoppelde metasurface getoond in Fig. 5d, wat veel hoger is dan die van de eerdere gerapporteerde nano-antennes. In het bijzonder kunnen we duidelijk waarnemen dat de ultrasmall "hot spot" gekenmerkt door de sterke elektrische versterking beperkt is tot een cirkelvormig gebied met een diameter van slechts 3 nm. Dus, deze gehybrideerde metasurfacesystemen zijn aangetoond om gelijktijdig superieure absorptie, grote lokale elektrische versterking, en kleine laterale resolutie te hebben, wat zeer behulpzaam is voor het onderzoeken van de nauwkeurige eigenschappen van enkel moleculen voor veel oppervlakte-versterkte spectroscopieën, vanwege hun vermogen om zowel de LSP als out-of-plane koppelingen te ondersteunen.

Uit de analyseresultaten in Fig. 2b weten we dat de metasurface efficiënt koppelt voor TM-polarisatie en donker blijft voor TE-polarisatie, vanwege asymmetrisch ontwerp, wat een potentiële toepassing heeft in polarisatieschakelaar. Vervolgens, rekening houdend met dat de brekingsindex van PVA (poly(vinylalcohol)) kan veranderen met wijziging van de pompvermogen, kan de werkende golflengte van plasmonische resonanties doorgaans worden gewijzigd door de brekingsindex van de dielectrische laag te variëren. Vervolgens toont Fig. 7a,b aan dat de voorgestelde metasurface inderdaad kan werken als een polarisatieschakelaar, wat gebaseerd is op een reflectieve polarisator met een instelbare resonantie voor TM-gepolariiseerd licht door de brekingsindex van PVA te veranderen. Duidelijk, zoals getoond in Fig. 7b, zonder een externe stimulus, wordt het TM-gepolariiseerde licht volledig geabsorbeerd op golflengte van 1550 nm ("uit" toestand), en deze metasurface kan het TM-gepolariiseerde licht volledig reflecteren op golflengte van 1565 nm ("aan" toestand). Met een externe stimulus, wordt de Fano-resonantie voor de TM-golf verschoven naar 1565 nm ("uit" toestand), en deze metasurface wordt volledig reflecterend voor TM-gepolariiseerd licht op 1550 nm ("aan" toestand). Duidelijk, in Fig. 7b, kan deze metasurface een reflectiewaardeverandering van 0,009 tot 98% op 1550 nm realiseren, en een dergelijke grote modulatiediepte is ver hoger dan eerdere gerapporteerde plasmonische schakelsystemen. Aan de andere kant, volgens Fig. 7b, blijft de reflectie van het invalslicht dicht bij één met en zonder de externe stimulus voor TE-polarisatie ("aan" toestand). Daarom kan deze metasurface een polarisatieschakelaar voor TM-gepolariiseerd licht realiseren gebaseerd op een reflectieve polarisator met een uitwisverhouding van 11.000 (R_TE/R_TM = 0,99/0,00009 = 11.000) op 1550 nm. We geven ook een berekening over het effect van de polarisatiehoek φ op de reflectiespectra, zoals getoond in Fig. 7c. Duidelijk zal de absorptieprestatie geleidelijk achteruitgaan bij de resonantiegolflengtes met toenemende φ, wat kan worden verklaard door het feit dat het invals-elektrische veld E kan worden ontbonden in TE- en TM-gepolariiseerd licht en het TE-gepolariiseerde licht wordt gereflecteerd. Op basis van de berekende resultaten in Fig. 7c, worden de geprojecteerde uitvoerpolarisaties van de metasurface, met en zonder een pomp, op 1550 en 1588 nm afgebeeld in Fig. 7d.

In-gedote CdO is een soort optisch instelbaar plasmonisch materiaal, en de femtoseconde polarisatieschakelaar werkend op 2,8 μm gebaseerd op de foto-geëxciteerde CdO-film is experimenteel gedemonstreerd in de recente literatuur. Om de instelbare capaciteit van onze EIT-structuur verder te verbeteren, onderzoeken we de optische eigenschappen van de voorgestelde metasurface met CdO. De schematische structuur van de CdO-gebaseerde metasurface met geometrische parameters is afgebeeld in Fig. 8a. De brekingsindex van MgO en CdO wordt verkregen uit referenties, respectievolijk. Volgens Fig. 8b tonen we de reflectiespectra met en zonder een pomp rond 1568 nm. In de statische "aan" toestand, is de voorgestelde metasurface een polarisator die de TE-golf reflecteert en het TM-gepolariiseerde licht volledig absorbeert op golflengte 1568 nm. In de statische "uit" toestand, wordt de voorgestelde metasurface reflecterend voor zowel TM als TE polarisaties op 1568 nm, en de resonantie voor de TM-golf verschuift naar 1581 nm, ten gevolge van de brekingsindexverandering van In-gedote CdO door een externe stimulus. In het bijzonder kan deze reflectieve polarisator een enorme uitwisverhouding op 1568 nm voor TM-gepolariiseerd licht bereiken vanwege de extreem lage R_min getoond in Fig. 8b. De enorme uitwisverhouding van de CdO-gebaseerde metasurface maakt het een goed platform voor actieve polarisatiecontrole. Merk op dat de brekingsindex van de CdO kan worden afgestemd door het pompvermogen te veranderen, wat ook actieve controle van de werkende golflengte van het EIT-achtige effect kan realiseren. Bovendien kunnen we vinden dat de pomplicht geen invloed heeft op de andere materialen (inclusief goud, MgO), wat is gedemonstreerd door experimenten in deze referenties.

Bovendien, voor de gevoeligheid van brekingsindex uit de bovenstaande analyse, kan de voorgestelde metasurface ook worden toegepast om de verandering van brekingsindex van de omgevende omgeving te detecteren. In veel eerdere gerapporteerde werken over brekingsindexsensing, wordt de lichtintensiteit van reflectie/transmissie golf meestal gemeten wanneer de omgevende brekingsindex variabel is met een specifieke werkende golflengte. Vervolgens, om de sensing-eigenschap van deze metasurface te demonstreren, toont Fig. 9 aan dat de dubbele plasmonische resonanties naar de rode kant verschuiven met de toename van de omgevende brekingsindexveranderingen. Met de variatie van de omgevende brekingsindex, kan de gevoeligheid (S) S = 1500 nm/RIU bereiken. Vervolgens is de FWHM van de reflectiedip bij ω_1 en ω_2 respectievelijk 7 en 7,5 nm, wat aangeeft dat deze metasurface kan opereren als een ultra-hoge FOM (S/FWHM_1 = 214,29) brekingsindexsensor in het nabij-infraroodgebied. De FOM = 214,29 is veel hoger dan die van de meeste eerdere gerapporteerde plasmonische brekingsindexsensoren.

Conclusies

In dit werk wordt een nieuwe optisch instelbare gehybrideerde metasurface voorgesteld en benut om EIT-achtige fenomenen rond 1550 nm te genereren, die de in-plane nabij-veldkoppeling tussen gouden nanobalken en de out-of-plane nabij-veldkoppeling tussen gouden nanobalken en substraat hybridiseert. Voor het traditionele ontwerp van EIT-achtige metamaterialen, werken twee verschillende gevormde resonators, in vlakke of verticale rangschikking, respectievelijk als heldere mode en donkere mode, die EIT-effect kunnen induceren door helder-donker modekoppeling. Echter, in deze structuur, zijn de twee individuele heldere modus voornamelijk het resultaat van twee dezelfde gevormde resonators met verschillende posities, wat noch een vlakke structuur noch een verticale structuur is. De resulterende twee fundamentele plasmonmodes van het gehybrideerde systeem worden ook in detail onderzocht. Door de introductie van indium-gedote CdO, kan de werkende golflengte van het EIT-achtige fenomeen optisch worden afgestemd. Tegelijkertijd wordt deze metasurface voor het eerst gedemonstreerd als een femtoseconde polarisatieschakelaar voor TM-gepolariiseerd licht op 1550 nm, die een uitwisverhouding (R_TE/R_TM) kan realiseren die veel hoger is dan die van eerdere gerapporteerde polarisatieschakelaars. Bovendien, functionerend als plasmonische nano-antennes, bereikt deze metasurface ook een sterke lokale veldversterking (|E_loc|/|E_0| > 100) en een nabij-perfecte absorptie (> 99%) gelijktijdig. Vanwege deze bovenstaande voordelen is deze voorgestelde metasurface een veelbelovende kandidaat voor femtoseconde polarisatieschakeling, plasmonische nano-antennes, en hoge FOM brekingsindexsensor.

Afkortingen

EIT:

Elektromagnetisch geïnduceerde transparantie

FDTD:

Eindige-verschillen-tijddomein

FE:

Veldversterking

FEM:

Eindige-elementenmethode

FOM:

Figuur van verdienste

FWHM:

Volledige breedte op half maximum

PML:

Perfect matched layer

SEIRA:

Oppervlakte-versterkte infraroodabsorptie

SERS:

Oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing