应用光学国家重点实验室研发中长波红外光学折射率传感器

近日，应用光学国家重点实验室张宇昊博士研究生提出了一种中长波红外波段8-12μm (25 THz-37.5 THz)的光学折射率传感器。该传感器基于“吉祥结”结构阵列的法诺共振，利用有限时域差分方法分析了其在红外波段的反射光谱和近场电磁场分布。该结构对周围物质的折射率变化敏感，传感灵敏度高达986nm/RIU，平均品质因数为29。同时，该结构对入射光电场的偏振方向不敏感，该研究在光学传感、生物传感、环境监测等方面具有重要意义。

传统的光学器件通过光的反射、折射等特性来进行光的调控，体积通常较大。为了满足现代化光电子器件对小型化和高集成度的要求，基于Fano共振的纳米材料由于其优异的光学特性，在高灵敏度生物传感、快速响应的光学开关、纳米光电器件等领域应用广泛，逐渐成为光调控领域的发展趋势。

Fano共振能够在很多微纳系统中实现，其中，基于局域表面等离子体共振的金属微纳结构能够在器件表面实现显著的局域场增强和有效的光场调控，经常被用来实现生物传感、材料的吸收增强与发光增强等领域。然而，由于金、银等金属材料中自由电子的振荡导致了很强的辐射损耗，限制了其在纳米光子学中的应用。

最近，人们发现高折射率的锗、硅等全介质微纳器件可以解决金属结构存在的问题。与金属微纳器件相比较，全介质微纳器件不仅损耗较小，能够实现高的品质因子和场增强，而且光场主要被束缚在器件内部，有利于增强材料内部与物质的相互作用。除此之外电介质材料器件的制造成本低，与CMOS工艺兼容，基于电介质材料的超表面逐渐成为更好的选择。

如图1所示，是提出的“吉祥结”结构示意图。该结构是由氟化钡衬底上的十字棒状和四个圆环分布的周期阵列组成。P是周期，大小为为6。L1、L2分别是棒状结构的长和宽，数值分别为L1=0.6μm，L2=5.6μm。R和r分别是圆环结构的外圆半径和内圆半径，大小分别为R=1μm，r=0.5μm。“吉祥结”结构均由Si构成，其厚度t的大小为1。衬底氟化钡与硅层存在较大的折射率差，使得该器件具有很大的光束缚能力。为了测试所提出的电介质结构的性能，采用有限时域差分方法(FDTD)仿真反射光谱，得到的仿真结果如图1(c)所示，插图为窄带反射位置的光谱放大图，可以清晰地看到在7.3μm处达到“完美”反射，反射率高达94%，并且带宽只有14nm，也就导致Q值高达到520。

图1 “吉祥结”结构设计的理论模型示意图。

(a)“吉祥结”结构阵列及入射光示意图;

(b)“吉祥结”结构上视图及相关尺寸标注;

(c)图示入射光照射下“吉祥结”结构阵列的反射光谱图，插图为共振峰位置的放大图

高Q共振是由Fano共振晶胞实现的，其中，谐振器之间的相互作用以及吸收损耗的减小，可以使辐射阻尼和非辐射阻尼最小化。十字棒状结构与入射空间的自由空间激发紧密耦合，支持电偶极子，集体振荡形成“亮”模式。法向入射的光不能直接激发圆环的磁偶极子模式，通过近场耦合的相互作用，导致圆环谐振器的集体振荡并抑制辐射损耗，从而形成系统的“暗”模式。这两种模式互相耦合，形成了一个非对称的Fano共振谱线，仿真得到的近场分布如图2所示。

图2 共振峰位置的近场分布图。

入射光电场平行于x-轴时(a)x-y面的电场能量分布;

(b)x-y面的磁场能量分布;(c)x-z面的磁场能量分布;

入射光电场偏振角度为45度时(d)x-y面的电场能量分布;

(e)x-y面的磁场能量分布;

(f)x-z面的磁场能量分布

由于非常窄的线宽，此设计的一个应用方向就是光学折射率传感器。本文所设计的介质超表面对待测物质的折射率的变化敏感，图3为待测物质示意图。通过FDTD的方法，我们仿真了待测物质的折射率从1.33-2.0变化的共振光谱曲线，变化步长为0.005，得到的结果展示在图4中。随着待测物质折射率的增大，共振峰的位置发生了明显的红移，值得注意的是，本文所设计的介质超表面对待测物质的折射率变化测量范围并不局限于这个范围且折射率传感的分辨率小于0.001。

图3 中红外光学折射率传感平台及待测物质示意图

图4

 (a)待测物质折射率从1.33-2.0变化仿真得到的反射图，

(b)待测物质折射率从1.33-1.40变化仿真得到的反射图，

(c)待测物质折射率变化为0.001时仿真得到的反射光谱图

通常，描述和对比光学折射率传感器性能的一个重要参数就是灵敏度(S)，表示的是单位折射率变化时共振峰位置的偏移量，下面的表格展示了我们提出的折射率传感器的特征参数分析。

本文采用有限时域差分方法研究了基于电介质材料的“吉祥结”微纳结构的共振特性，并分析其红外波段的反射光谱和近场电磁场分布。所设计的介质超表面对周边的环境折射率变化敏感，传感灵敏度高达986nm/RIU,最大Q值高达520，品质因数(FoM)为29，共振的移相时间仅为1.8ps。除此之外，所设计的介质超表面的共振对入射光电场的偏振方向不敏感，当改变入射光偏振态时，共振并不会消失。由于电介质材料的使用，改善了使用金属材料时普遍偏低的品质因数，并和发达的CMOS工艺相兼容，使该设计有望实现大规模集成化生产。该研究在光学传感、生物传感、环境监测等方面均具有重要意义。