Hybride In-Plane- und Out-of-Plane-gekoppelte plasmonische Metasurfaces für verstärkte optische Aktivität

Zusammenfassung

Plasmonische Metasurfaces haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt aufgrund vielversprechender Anwendungen wie Polarisationsschaltung, lokaler elektrischer Feldverstärkung, nahezu perfekter Absorption, Sensorik, Slow-Light-Geräten und Nanoantennen. Dennoch begrenzen Probleme wie nur Gigahertz-Schaltgeschwindigkeiten elektrooptischer Schalter, niedrige Gütefaktoren (Q) plasmonischer Resonanzen und relativ geringe Figure-of-Merit (FOM) bei Sensoren die Weiterentwicklung. Auch als Nanoantennen ist es herausfordernd, gleichzeitig lokale elektrische Feldverstärkung >100 und nahezu perfekte Absorption >99 % zu erreichen. Hier berichten wir erstmals über eine neuartige, optisch abstimmbare plasmonische Metasurface, basierend auf der Hybridisierung von In-Plane-Nahfeldkopplung und Out-of-Plane-Nahfeldkopplung, die diese drängenden Probleme löst. Ein Phänomen elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) wird durch destruktive Interferenz zweier Plasmonenmodi erzielt. Gleichzeitig werden ultrascharfe perfekte Absorptionspeaks mit ultrahohem Q-Faktor (221,43) um 1550 nm realisiert, was zu einem ultrahohem FOM (214,29) in Sensoranwendungen führt. Insbesondere wird durch Indium-dotiertes CdO diese Metasurface erstmals als Femtosekunden-optischer reflektierender Polarisator im Nahinfrarot demonstriert, mit ultrahohem Polarisationsauslöschungsverhältnis. Als Nanoantennen erreicht diese Metasurface zugleich starke lokale elektrische Feldverstärkung (|E_loc|/|E_0| > 100) und nahezu perfekte Absorption >99,9 %, was Anwendungen wie fotokatalytische Wasserspaltung und oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) begünstigt.

Hintergrund

Plasmonische Metasurfaces, als zweidimensionale Versionen von Metamaterialien, bieten ein breites Spektrum an Phänomenen und Anwendungen: Polarisationsschaltung, Strahlrotator, Fano-Resonanz, Nanoantennen, negativer Brechungsindex, nahezu perfekte Absorber und Unsichtbarkeits Tarnung. Besonders die Untersuchung von elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) und Fano-Resonanz basierend auf plasmonischen Metasurfaces hat großes Interesse geweckt aufgrund potenzieller Anwendungen in oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS), SEIRA, Brechungsindex-Sensorik und Quanteninformationsspeicherung. EIT und Fano-Resonanz wurden ursprünglich in Quantensystemen entdeckt. In klassischen Systemen entsteht EIT durch destruktive Interferenz zweier Plasmonenmodi. Wenn ein schmaleres Plasmonenmodus destruktiv mit einem breiteren interferiert, ergibt sich ein Fano-Linienprofil. Zhang et al. realisierten erstmals Fano-Resonanz und EIT in einer plasmonischen Nanostruktur mit hellem und dunklem Element in einer Ebene. Bei den meisten berichteten Metasurfaces basierend auf In-Plane-Kopplung im sichtbaren oder nahen Infrarot (NIR) wird die Kopplungsstärke durch die präzise Größe des Spalts zwischen Resonatorelementen bestimmt, doch die Herstellung präziser Sub-10-nm-Spalte bleibt aufgrund technologischer Grenzen eine Herausforderung. Diese Nanostrukturen sind stark von winzigen Teilchenabständen abhängig, was die Großflächenproduktion erschwert.

Anders als bei In-Plane-Kopplung demonstrierte Liu et al. erstmals experimentell plasmonische EIT durch vertikales Stapeln von Metamaterial-Elementen. Anschließend wurden zahlreiche Metamaterialien/Metasurfaces basierend auf planaren oder vertikalen Designs vorgeschlagen, um EIT-ähnliche Phänomene und Fano-Resonanzen zu erzielen. Amin et al. zeigten asymmetrische Fano-ähnliche Spektrallinien und ein schmales EIT-Fenster in einem Resonator aus Goldrahmen und Graphen-Patch in einer Ebene. Die Gütefaktor der Fano-Resonanz in dieser Metallstruktur ist jedoch sehr niedrig aufgrund optischer Verluste im Metall, die eine signifikante Verbreiterung der plasmonischen Resonanzen verursachen – ein äußerst häufiges Problem in plasmonischen Nanostrukturen mit Metallen. Meines Wissens liegen die Q-Faktoren der meisten berichteten Fano-Resonanzen im sichtbaren und NIR-Bereich allgemein unter 10. Kürzlich demonstrierte Dayal et al. whispering-gallery-mode-basierte metallische Metasurfaces mit hohem Q (bis 79) bei NIR-Frequenzen. Diese Fano-Resonanz kann jedoch nur bei einer spezifischen Wellenlänge erreicht werden, was ein weiteres häufiges Problem darstellt, das die Weiterentwicklung und Anwendung von Fano-Resonanz oder EIT-Phänomenen stark einschränkt. Die aktive Manipulation von Fano-Resonanz oder EIT-Fenster ist für viele praktische Anwendungen hochgradig erwünscht. Xia et al. entwarfen und demonstrierten numerisch ein abstimmbares PIT-System aus sinusförmig gekrümmten und planaren Graphenschichten. 2017 erreichten Yang et al. experimentell eine hochkontrollierbare Absorptionsresonanz mit hohem Gütefaktor, die erstmals als Femtosekunden-optische Polarisationsschaltung basierend auf einer plasmonischen Metasurface im Mittelinfrarot demonstriert wurde. Dabei wurde auch eine maximale elektrische Feldverstärkung von 41,8 beobachtet. Es ist wünschenswert, plasmonische Nanoantennas einzusetzen, die nicht nur „Hot Spots“ mit großer lokaler Feldverstärkung, sondern auch nahezu perfekte Absorption erzeugen. Obwohl großer Fortschritt bei der Steigerung der lokalen elektrischen Feldverstärkung und Verbesserung der Absorption erzielt wurde, bleibt die gleichzeitige Realisierung starker lokaler elektrischer Feldverstärkung (|E_loc|/|E_0| > 100) und nahezu perfekter Absorption (>99 %) eine Herausforderung, die viele Anwendungen einschließlich plasmonischer Sensoren, fotokatalytischer Wasserspaltung, SERS und SEIRA begünstigen würde. Andererseits, abgesehen von der von Yang et al. berichteten Polarisationsschaltung, sind die meisten traditionellen polarisationsselektiven Geräte wie Wellenplatten und Polarisatoren, die auf elektrooptischen Effekten basieren, entweder statisch oder arbeiten nur mit Gigahertz-Schaltgeschwindigkeiten, begrenzt durch die erforderliche Elektronik. Zusammenfassend leiden die meisten bisher berichteten Arbeiten zu EIT-Effekt, Fano-Resonanz und plasmonischen Nanoantennen an diesen schwerwiegenden und dringenden Problemen: (i) Verbreiterung plasmonischer Resonanzen aufgrund großer optischer Verluste in Metallen; (ii) nicht einstellbare Betriebswellenlänge von EIT-Effekt oder Fano-Resonanzen; (iii) Herausforderung, starke lokale elektrische Feldverstärkung und nahezu perfekte Absorption gleichzeitig zu erreichen; (iv) allgemein nur Gigahertz-Schaltgeschwindigkeiten polarisationsselektiver Geräte im sichtbaren oder NIR-Bereich.

In dieser Arbeit schlagen wir mittels Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Verfahren (FDTD) und Finite-Elemente-Methode (FEM) eine optisch aktive plasmonische Metasurface vor, die auf der Hybridisierung von In-Plane- und Out-of-Plane-Kopplung basiert. In diesem System kann ein EIT-ähnlicher Effekt durch Brechung der Struktursymmetrie erzielt werden, und die Betriebswellenlänge der EIT-Fenster kann durch Änderung des Brechungsindex der CdO-Schicht eingestellt werden, der optisch durch Abstimmung des Pumplichts gesteuerbar ist. In diesem EIT-ähnlichen Reflexionsspektrum wird eine hoch-Q plasmonische Resonanz bei 1550 nm erzielt, die weit höher ist als in früheren Arbeiten. Insbesondere kann diese Metasurface aufgrund ihrer Polarisationsunabhängigkeit mit Indium-dotiertem Cadmium auch als Femtosekunden-Polarisationsschalter für TM-polarisiertes Licht bei 1550 nm fungieren. Durch Abstimmung des Pumplichts werden die plasmonischen Resonanzen spektral rotverschoben, und die Metasurface erreicht eine große Modulationstiefe der Reflexion des TM-polarisierten Lichts von 0,003 auf 60 %, während die Reflexion für TE-polarisiertes Licht nahe 1 bleibt. Meines Wissens ist eine so große Modulationstiefe weit höher als die zuvor berichteten plasmonischen Schalt-Systeme. Beachten Sie, dass der Femtosekunden-Polarisationsschalter erstmals numerisch basierend auf einer plasmonischen Metasurface durch Hybridisierung von In-Plane- und Out-of-Plane-Kopplung demonstriert wird. Gleichzeitig erreicht diese Metasurface nahezu perfekte Absorption >99,9 % und maximale elektrische Feldverstärkung von 108, wobei die starke Feldverstärkung in einem kreisförmigen Bereich mit nur 3 nm Durchmesser eingeschlossen ist, was für Einzelmolekül-Detektion in vielen oberflächenverstärkten Spektroskopien sehr vorteilhaft ist. Aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Brechungsindexänderungen und der ultrascharfen plasmonischen Resonanz kann diese Metasurface auch als ultrahoher FOM-Brechungsindexsensor arbeiten.

Methoden

Die vorgeschlagene Metasurface ist schematisch in Abb. 1a dargestellt. Abbildung 1b zeigt den Querschnitt einer Einheitszelle mit geometrischen Parametern, die aus zwei Gruppen von Goldstäben und einer Polymer-Schicht besteht. Jede Gruppe hat zwei Goldstäbe, getrennt durch einen Nanospalt. Eine Gruppe liegt auf der Polymer-Schicht, die andere ist in die Polymer-Schicht eingebettet. Das asymmetrische Gold-Nanostab-Array ist periodisch auf einem dicken Goldsubstrat mit einer Periodizität von P = 1395 nm angeordnet. Die Metasurface wird von normal einfallendem transversalmagnetischem (TM) Licht beleuchtet (magnetische Komponente senkrecht zum einfallenden Licht). Zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden FDTD- und FEM-Methoden zur Berechnung der optischen Eigenschaften und elektromagnetischen Feldverteilungen eingesetzt. Die FEM-Berechnung erfolgt mit der kommerziellen Software COMSOL MULTIPHYSICS. Periodische Randbedingungen werden in x-Richtung angewendet, und perfekt angepasste Schichten (PML) an der y-Richtungs-Grenze. Die Maschenweite beträgt 0,8 nm in x- und y-Richtung. Die Permittivität von Au wird durch das Drude-Modell beschrieben, der Brechungsindex des Polymers ist 1,5. Der Simulationshintergrund ist Luft mit n_air = 1. Die Absorption wird durch A = 1 − R gegeben, da das Goldsubstrat undurchsichtig ist (T = 0).

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die berechneten Reflexions- und Absorptionsspektren der vorgeschlagenen Metasurface um 1550 nm bei normaler Einfalls unter TM-Polarisation. Im Absorptionsspektrum erscheinen zwei deutliche Absorptionspeaks bei 1550 und 1588 nm mit nahezu perfekter Absorptionseffizienz >99,9 %. Aus dem Reflexionsspektrum (Abb. 2b) beobachtet man eine EIT-ähnliche spektrale Antwort in diesem Wellenlängenbereich, und dieselben Ergebnisse werden sowohl mit FDTD als auch FEM demonstriert. Das Reflexionsspektrum unter TE-Polarisation (elektrische Komponente senkrecht zur Einfallsebene) wird in Abb. 2b mit einer schwarzen Linie gezeigt; die Reflexion ist nahe 1, was bedeutet, dass für TE-Polarisation keine Absorption in dieser Metasurface auftritt. Die Polarisationabhängigkeit lässt sich durch das asymmetrische Design der Metasurface erklären. Daher koppelt diese Metasurface effizient für TM-Polarisation und bleibt für TE-Polarisation dunkel.

Um das EIT-ähnliche Phänomen der vorgeschlagenen Metasurface in Abb. 2a leichter zu erklären, betrachten wir zunächst eine relativ einfache Metasurface ohne Nanospalt (Abb. 2c), die aus zwei Gold-Nanostäben mit unterschiedlichen Abständen zum Goldsubstrat besteht. Das Reflexionsspektrum dieser Metasurface ohne Nanospalt wird in Abb. 2d dargestellt. Deutlich zeigt sich eine EIT-ähnliche spektrale Antwort mit asymmetrischem Linienprofil, was auf den Kopplungseffekt zwischen den beiden Goldstäben zurückzuführen sein kann. Anschließend wird der Symmetriebruch-Prozess (Abb. 3a-c) der Struktur untersucht, um den zugrundeliegenden Entstehungsprozess des EIT-ähnlichen Fensters zu klären. Die Variationen der Reflexionsspektren mit änderndem Δd werden in Abb. 3d berechnet und dargestellt. Für Δd = 0 gibt es nur einen Reflexionstiefpunkt um 1653 nm im Arbeitswellenband (Abb. 3e). Mit zunehmendem Δd erscheint eine EIT-ähnliche spektrale Antwort mit zwei Reflexionstiefpunkten (ω_Left und ω_Right). Bei weiterem Anstieg von Δd kann der ω_Left-Modus weiter verstärkt werden, was darauf hindeutet, dass der ω_Left-Modus eng mit Gold-Nanostab A verbunden sein könnte. Gleichzeitig zeigt der ω_Left-Modus bei zunehmendem Δd eine leichte Rotverschiebung, während die Resonanzwellenlänge des ω_Right-Modus nahezu unverändert bei 1653 nm bleibt. Durch die obige Analyse kann die Entstehung von EIT-ähnlichen Phänomenen der Asymmetrie der Nanostruktur zugeschrieben werden. Zur Interpretation der plasmonischen Resonanz bei 1395 nm in den Reflexionsspektren (Abb. 3d, g) werden die Reflexionsspektren zwischen der entworfenen Metasurface und einer metallischen Gitterstruktur verglichen (siehe Einleger Abb. 3g). Für die metallische Gitterstruktur gibt es ebenfalls einen Resonanztiefpunkt bei 1395 nm, resultierend aus der Anregung von Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPP) aus früheren Studien. Somit wird die plasmonische Resonanz dieser Metasurface bei 1395 nm durch die Anregung von SPP verursacht.

Anschließend werden die Reflexionsspektren der Metasurface, die aus film-gekoppelten Nanostab-Systemen mit nur Gold-Nanostab A bzw. nur Gold-Nanostab B besteht, untersucht (Abb. 4a, b). Bei Anregung mit TM-einfallendem Licht wird im System mit Gold-Nanostab A ein schmaleres Plasmonenmodus (ω_A) angeregt, während im System mit Gold-Nanostab B ein breiteres Plasmonenmodus (ω_B) beobachtet wird. Um den physikalischen Mechanismus hinter diesen beiden Plasmonenmodi deutlicher zu illustrieren, werden die magnetischen Feldverteilungen an diesen beiden Reflexionstiefpunkten berechnet (Abb. 4c, d). Die roten Pfeile zeigen Ströme, die Farbkarte die Betragsverteilung des magnetischen Feldes. Für den ω_A-Modus (Abb. 4a) ist das magnetische Feld auf den Spalt zwischen Gold-Nanostab A und Goldsubstrat begrenzt. Zudem werden antiparallele Ströme an den oberen und unteren inneren Metallgrenzflächen beobachtet. Daher ist der Plasmonenmodus primär mit magnetischer Resonanz durch zirkulierende Ströme assoziiert, und die einfallende Lichtenergie wird durch den ohmschen Verlust des Metalls dissipiert, was den Reflexionstiefpunkt im ω_A-Modus verursacht. Für den ω_B-Modus (Abb. 4b) verlaufen die zirkulierenden Ströme in entgegengesetzter Richtung zu denen des ω_A-Modus, was ebenfalls magnetische Resonanz anregen kann. Für das film-gekoppelte Nanostab-System mit beiden Gold-Nanostäben A und B kann das Phänomen in Abb. 5a auch als doppelte Fano-Resonanzen mit zwei Reflexionstiefpunkten (ω_Left und ω_Right) aufgrund der asymmetrischen Linienform behandelt werden. Diese asymmetrische Fano-ähnliche Spektrallinienform und ein EIT-ähnliches Fenster resultieren aus der destruktiven Interferenz zwischen dem schmaleren Plasmonenmodus (ω_A) (Abb. 4a) und dem breiteren Plasmonenmodus (ω_B) (Abb. 4b). Meines Wissens werden Fano-Resonanzen erstmals in künstlich strukturierten Arrays gleichförmiger Resonatoren mit asymmetrischen Positionen beobachtet.

Um den physikalischen Mechanismus hinter diesen beiden plasmonischen Resonanzen (ω_Left und ω_Right) in Abb. 4c weiter zu erforschen, werden die magnetischen Feld- H und elektrischen Feld- |E_loc|/|E_0| Verteilungen an den Wellenlängen dieser beiden Resonanzen berechnet und in Abb. 5 dargestellt. Einerseits zeigen Abb. 5b, c, dass die magnetischen Felder hauptsächlich in der Dielektrischschicht zwischen den Goldstäben und dem Goldsubstrat lokalisiert sind, was das Schlüsselmerkmal der Out-of-Plane-Kopplung zwischen den Goldstäben und dem Au-Substrat darstellt. Deutlich unterschiedliche Feldverteilungen werden für diese beiden Resonanzen beobachtet, die an zwei Absorptionspeaks angeregt werden. Für den ω_Left-Modus ist das magnetische Feld im Spalt zwischen Gold-Nanostab A und Goldsubstrat lokalisiert, was darauf hindeutet, dass der ω_Left-Modus eng mit der Out-of-Plane-Kopplung zwischen Gold-Nanostab A und Goldsubstrat verbunden ist, ähnlich aber nicht identisch mit dem magnetischen Feld des ω_A-Modus in Abb. 4c aufgrund der Kopplung zwischen ω_A und ω_B. Für den ω_Right-Modus ist das magnetische Feld im Nanospalt zwischen Gold-Nanostab B und Substrat lokalisiert. Daher wird der ω_Right-Modus hauptsächlich durch die Out-of-Plane-Kopplung zwischen Gold-Nanostab B und Goldsubstrat beigetragen. Andererseits sind die elektrischen Felder stark verstärkt und in einem ultrasmallen Bereich an den Kanten der Goldstäbe lokalisiert. Abgesehen von den physikalischen Phänomenen der EIT kann diese Metasurface auch als plasmonische Nanoantennen (PNs) betrachtet werden, die freiraum-einfallendes Licht in einen subwellenlängenbereich mit lokaler Feldverstärkung einschließen, was eine sehr wichtige und fundamentale Forschung für nanophotonische Systeme ist. Hier wird der Faktor |E_loc|/|E_0| definiert, um die Leistung der lokalen elektrischen Feldverstärkung von PNs zu bewerten. Wie in Abb. 5d, e gezeigt, können die lokalen elektrischen Feldverstärkungen der Metasurface bis zu 75 erreichen. Obwohl lokale elektrische Feldverstärkungen mit film-gekoppelten Nanostab-Systemen erreicht werden, zeigt Abb. 4c, dass noch beträchtliche Arbeit nötig ist, um nahezu perfekte Absorption zu realisieren, was zu einer kleinen Modulationstiefe führt. Aus früheren Forschungen wissen wir, dass das Erreichen sowohl großer lokaler elektrischer Feldverstärkung als auch nahezu perfekter Absorption viele Anwendungen einschließlich plasmonischer Sensoren, fotokatalytischer Wasserspaltung, SERS und SEIRA begünstigen würde. Zudem zeigt diese Metasurface-Struktur eine relativ breitere Linienbreite. Da der Q-Faktor der plasmonischen Resonanz definiert ist als Q = λ / FWHM (volle Breite bei halber Maximale), führt eine breitere Resonanz zu einem niedrigeren Q-Faktor. Daher können die breite FWHM und die kleine Modulationstiefe dieser Resonanzen Anwendungen wie Brechungsindex-Sensorik, Polarisationsschaltung und Lichtverlangsamung behindern, wo eine scharfe spektrale Antwort erwünscht ist.

Um gleichzeitig große lokale elektrische Feldverstärkung, nahezu perfekte Absorption und hoch-Q-Faktor-Resonanz zu realisieren, führen wir hier das Konzept der Hybridisierung von Out-of-Plane-Plasmon-Kopplung und In-Plane-Plasmon-Kopplung ein. Deutlich zeigt sich im Vergleich zur film-gekoppelten Nanostab-Metasurface basierend auf Out-of-Plane-Kopplung, dass die vorgeschlagene Metasurface in Abb. 1 überlegene Absorptionseigenschaften aufweist (Abb. 2). Insbesondere beträgt die FWHM der plasmonischen Resonanz bei 1550 nm 7 nm, was einen Q-Faktor (Q = λ/FWHM = 1550 nm/7 nm) von 221,43 ergibt, was viel höher ist als in früheren Arbeiten. Um weitere physikalische Einblicke in die hoch-Q-Fano-Resonanzen und die perfekte Absorption der ursprünglichen Metasurface in Abb. 1 zu gewinnen, werden die simulierten magnetischen und elektrischen Feldverteilungen an den Resonanzwellenlängen von 1550 nm (ω_1) und 1588 nm (ω_2) in Abb. 6 dargestellt. Deutlich ist das magnetische Feld hauptsächlich im Spalt zwischen dem Goldstab und dem Goldsubstrat lokalisiert, und ein Teil des magnetischen Feldes propagiert in den Nanospalt zwischen den beiden Gold-Nanostäben. Anders als das elektrische Feld, das nur aus der Out-of-Plane-Kopplung resultiert (Abb. 5d, e), ist das elektrische Feld dieser vorgeschlagenen Metasurface auch stark in einem ultrasmallen Bereich zwischen den beiden Goldstäben lokalisiert (Abb. 6c, d), was die starke lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP) Kopplung zwischen den beiden Gold-Nanostäben bedeutet. Abb. 6c zeigt, dass die maximale elektrische Feldverstärkung an der Resonanzwellenlänge bis zu 108 erreichen kann, etwa 1,4-mal im Vergleich zur reinen film-gekoppelten Metasurface in Abb. 5d, was viel höher ist als bei zuvor berichteten Nanoantennen. Insbesondere können wir klar beobachten, dass der ultrasmall „Hot Spot“, charakterisiert durch die starke elektrische Verstärkung, in einem kreisförmigen Bereich mit nur 3 nm Durchmesser eingeschlossen ist. Somit wurde gezeigt, dass diese hybridisierten Metasurface-Systeme gleichzeitig überlegene Absorption, große lokale elektrische Verstärkung und kleine laterale Auflösung besitzen, was sehr hilfreich für die Untersuchung der genauen Eigenschaften einzelner Moleküle in vielen oberflächenverstärkten Spektroskopien ist, aufgrund ihrer Fähigkeit, sowohl LSP- als auch Out-of-Plane-Kopplungen zu unterstützen.

Aus den Analyseergebnissen in Abb. 2b wissen wir, dass die Metasurface effizient für TM-Polarisation koppelt und für TE-Polarisation dunkel bleibt, aufgrund des asymmetrischen Designs, was eine potenzielle Anwendung in der Polarisationsschaltung hat. In Betrachtung dessen, dass der Brechungsindex von PVA (Polyvinylalkohol) durch Änderung der Pump-Leistung variiert werden kann, kann die Betriebswellenlänge der plasmonischen Resonanzen allgemein durch Variation des Brechungsindex der Dielektrischschicht geändert werden. Abb. 7a, b illustriert, dass die vorgeschlagene Metasurface tatsächlich als Polarisationsschalter funktionieren kann, basierend auf einem reflektierenden Polarisator mit einer abstimmbaren Resonanz für TM-polarisiertes Licht durch Änderung des Brechungsindex von PVA. Deutlich zeigt Abb. 7b, dass ohne externen Reiz das TM-polarisierte Licht bei 1550 nm vollständig absorbiert wird („aus“-Zustand), und diese Metasurface das TM-polarisierte Licht bei 1565 nm vollständig reflektiert („ein“-Zustand). Mit externem Reiz wird die Fano-Resonanz für die TM-polarisierte Welle auf 1565 nm verschoben („aus“-Zustand), und die Metasurface wird für TM-polarisiertes Licht bei 1550 nm vollständig reflektierend („ein“-Zustand). Deutlich zeigt Abb. 7b, dass diese Metasurface einen Reflexionswertwechsel von 0,009 auf 98 % bei 1550 nm realisieren kann, und eine so große Modulationstiefe weit höher ist als bei zuvor berichteten plasmonischen Schalt-Systemen. Andererseits bleibt laut Abb. 7b die Reflexion des einfallenden Lichts mit und ohne externen Reiz für TE-Polarisation nahe 1 („ein“-Zustand). Daher kann diese Metasurface einen Polarisationsschalter für TM-polarisiertes Licht basierend auf einem reflektierenden Polarisator mit einem Auslöschungsverhältnis von 11.000 (R_TE/R_TM = 0,99/0,00009 = 11.000) bei 1550 nm realisieren. Wir geben auch eine Berechnung zum Effekt des Polarisationswinkels φ auf die Reflexionsspektren (Abb. 7c). Deutlich verschlechtert sich die Absorptionsleistung an den Resonanzwellenlängen mit zunehmendem φ allmählich, was dadurch erklärt werden kann, dass das einfallende elektrische Feld E in TE- und TM-polarisiertes Licht zerlegt werden kann und das TE-polarisierte Licht reflektiert wird. Basierend auf den berechneten Ergebnissen in Abb. 7c werden die projizierten Ausgabepolarisationen der Metasurface, mit und ohne Pump, bei 1550 und 1588 nm in Abb. 7d dargestellt.

Indium-dotiertes CdO ist eine Art optisch abstimmbares plasmonisches Material, und ein Femtosekunden-Polarisationsschalter, der bei 2,8 μm auf photoangeregtem CdO-Film basiert, wurde kürzlich experimentell in der Literatur demonstriert. Um die abstimmbare Kapazität unserer EIT-Struktur weiter zu verbessern, untersuchen wir die optischen Eigenschaften der vorgeschlagenen Metasurface unter Verwendung von CdO. Die schematische Struktur der CdO-basierten Metasurface mit geometrischen Parametern ist in Abb. 8a dargestellt. Der Brechungsindex von MgO und CdO wird aus den Referenzen entnommen. Laut Abb. 8b zeigen wir die Reflexionsspektren mit und ohne Pump um 1568 nm. Im statischen „ein“-Zustand ist die vorgeschlagene Metasurface ein Polarisator, der die TE-polarisierte Welle reflektiert und die TM-polarisierte Welle bei 1568 nm vollständig absorbiert. Im statischen „aus“-Zustand wird die Metasurface für beide TM- und TE-Polarisationen bei 1568 nm reflektierend, und die Resonanz für die TM-polarisierte Welle verschiebt sich auf 1581 nm, aufgrund der Brechungsindexänderung von Indium-dotiertem CdO durch einen externen Reiz. Insbesondere kann dieser reflektierende Polarisator ein riesiges Auslöschungsverhältnis bei 1568 nm für TM-polarisiertes Licht aufgrund des extrem niedrigen R_min in Abb. 8b erreichen. Das riesige Auslöschungsverhältnis der CdO-basierten Metasurface macht sie zu einer guten Plattform für aktive Polarisationskontrolle. Beachten Sie, dass der Brechungsindex von CdO durch Änderung der Pump-Leistung eingestellt werden kann, was auch eine aktive Steuerung der Betriebswellenlänge des EIT-ähnlichen Effekts ermöglicht. Zudem zeigt sich, dass das Pump-Licht keinen Einfluss auf die anderen Materialien (einschließlich Gold, MgO) hat, was durch Experimente in diesen Referenzen demonstriert wurde.

Zusätzlich kann die vorgeschlagene Metasurface aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Brechungsindexänderungen aus der obigen Analyse auch zur Detektion von Brechungsindexänderungen der Umgebung eingesetzt werden. In vielen zuvor berichteten Arbeiten zur Brechungsindex-Sensorik wird üblicherweise die Lichtintensität der reflektierten/transmittierten Welle gemessen, wenn der umgebende Brechungsindex bei einer spezifischen Betriebswellenlänge variabel ist. Um die Sensor-Eigenschaften dieser Metasurface zu demonstrieren, zeigt Abb. 9, dass die doppelten plasmonischen Resonanzen mit zunehmendem umgebenden Brechungsindex rotverschoben werden. Mit der Variation des umgebenden Brechungsindex kann die Empfindlichkeit (S) S = 1500 nm/RIU erreichen. Die FWHM des Reflexionstiefpunkts bei ω_1 und ω_2 beträgt 7 bzw. 7,5 nm, was bedeutet, dass diese Metasurface als ultrahoher FOM (S/FWHM_1 = 214,29) Brechungsindexsensor im Nahinfrarotbereich arbeiten kann. Der FOM = 214,29 ist weit höher als die der meisten zuvor berichteten plasmonischen Brechungsindexsensoren.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wird eine neuartige optisch abstimmbare hybridisierte Metasurface vorgeschlagen und genutzt, um EIT-ähnliche Phänomene um 1550 nm zu erzeugen, die die In-Plane-Nahfeldkopplung zwischen Gold-Nanostäben und die Out-of-Plane-Nahfeldkopplung zwischen Gold-Nanostäben und Substrat hybridisiert. Für das traditionelle Design von EIT-ähnlichen Metamaterialien wirken zwei unterschiedlich geformte Resonatoren in planarer oder vertikaler Anordnung als heller und dunkler Modus, die den EIT-Effekt durch Hell-Dunkel-Moden-Kopplung induzieren. In dieser Struktur resultieren die beiden individuellen hellen Modi jedoch hauptsächlich aus zwei gleichförmigen Resonatoren mit unterschiedlichen Positionen, was weder eine planare noch eine vertikale Struktur ist. Die resultierenden beiden fundamentalen Plasmonenmodi des hybridisierten Systems werden ebenfalls detailliert untersucht. Durch Einführung von Indium-dotiertem CdO kann die Betriebswellenlänge des EIT-ähnlichen Phänomens optisch eingestellt werden. Gleichzeitig wird diese Metasurface erstmals als Femtosekunden-Polarisationsschalter für TM-polarisiertes Licht bei 1550 nm demonstriert, der ein Auslöschungsverhältnis (R_TE/R_TM) realisieren kann, das weit höher ist als bei zuvor berichteten Polarisationsschaltern. Darüber hinaus erreicht diese Metasurface als plasmonische Nanoantennen gleichzeitig eine starke lokale Feldverstärkung (|E_loc|/|E_0| > 100) und eine nahezu perfekte Absorption (>99 %). Aufgrund dieser Vorteile ist diese vorgeschlagene Metasurface ein vielversprechender Kandidat für Femtosekunden-Polarisationsschaltung, plasmonische Nanoantennen und hoch-FOM-Brechungsindexsensoren.

Abkürzungen

EIT:

Electromagnetically induced transparency (elektromagnetisch induzierte Transparenz)

FDTD:

Finite difference time domain (Finite-Differenzen-Zeitbereich)

FE:

Field enhancement (Feldverstärkung)

FEM:

Finite element method (Finite-Elemente-Methode)

FOM:

Figure of Merit (Gütefaktor/Qualitätsmaß)

FWHM:

Full width at half maximum (volle Breite bei halber Maximale)

PML:

Perfectly matched layer (perfekt angepasste Schicht)

SEIRA:

Surface-enhanced infrared absorption (oberflächenverstärkte Infrarotabsorption)

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering (oberflächenverstärkte Raman-Streuung)