Оптически активные плазмонные метаповерхности на основе гибридизации связи в плоскости и связи вне плоскости

Фон

Плазмонные метаповерхности, как двумерные версии метаматериалов, имеют широкий спектр многообещающих явлений и приложений, включая переключение поляризации [1], вращатель пучка [2], резонанс Фано [3,4,5,6,7], наноантенны [8] , 9,10], отрицательный показатель преломления [11, 12], почти идеальные поглотители [13,14,15] и маскировка невидимости. В частности, большое внимание было уделено изучению явления электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT) и резонанса Фано на основе плазмонных метаповерхностей из-за многих потенциальных приложений, таких как поверхностно-усиленное рамановское рассеяние (SERS) [3], поверхностно-усиленное инфракрасное поглощение (SEIRA). ) [16], определение показателя преломления [17,18,19,20,21] и хранилища квантовой информации. Концепции EIT и резонанса Фано изначально были открыты в квантовой системе. EIT получается путем деструктивной интерференции двух плазмонных мод в классической системе. Затем, если EIT генерируется, когда более узкая плазмонная мода деструктивно интерферирует с более широкой плазмонной модой, результирующий спектр будет иметь форму линии Фано. Zhang et al. впервые реализовали резонанс Фано и EIT в плазмонной наноструктуре с ярким и темным элементом в одной плоскости [22]. Однако для большинства описанных плазмонных метаповерхностей, основанных на плоской плазмонной связи, работающей в видимой или ближней инфракрасной (NIR) области, сила связи определяется точным размером зазора между резонансными элементами, но достигается точность менее 10- зазоры в нанометрах по-прежнему представляют собой проблему из-за ограничений современной технологии производства [8]. Но эти наноструктуры сильно зависят от крошечного расстояния между частицами, что не способствует производству с большой площадью. В отличие от метаповерхности, основанной на эффекте связи в плоскости, Liu et al. Впервые экспериментально продемонстрирована плазмонная ЭИП с использованием вертикальной укладки элементов из метаматериала [23]. Впоследствии ряд метаматериалов (или метаповерхностей), основанных на плоской или вертикальной конструкции плазмонных наноструктур, недавно был предложен и продемонстрирован для достижения EIT-подобных явлений и резонансов Фано [24,25,26,27,28,29,30,31 , 32,33,34,35]. Amin et al. продемонстрировали асимметричную форму спектральной линии типа Фано и узкое окно EIT в отклике резонатора, построенного с использованием как золотой рамки, так и графенового пятна в одной плоскости [17]. Однако добротность резонанса Фано в этой металлической структуре очень мала из-за оптических потерь в металле, которые вызывают значительное уширение плазмонных резонансов, что также является чрезвычайно распространенной проблемой в плазмонных наноструктурах с использованием металлов [36,37,38, 39,40,41,42]. Насколько нам известно, добротность большинства резонансов Фано в видимой и ближней ИК-области обычно ниже 10 [36,37,38,39,40,41,42,43]. Недавно Dayal et al. продемонстрировали металлические метаповерхности на основе мод шепчущей галереи, реализующие плазмонные резонансы Фано с высокой добротностью (достигающей 79) на частотах ближнего ИК-диапазона [5]. Однако указанный резонанс Фано может быть достигнут только на определенной длине волны, что также является еще одной распространенной проблемой, серьезно ограничивающей дальнейшие разработки и применения резонанса Фано или явления EIT. Активное управление резонансом Фано или окном EIT очень желательно для многих практических приложений [19, 21, 35, 43]. Xia et al. спроектировал и численно продемонстрировал настраиваемую систему PIT, состоящую из синусоидально изогнутых и плоских слоев графена, которая может избежать любых структур графенового листа [44]. В 2017 году Ян и др. экспериментально был достигнут хорошо управляемый резонанс поглощения с высоким коэффициентом качества, который, в первую очередь, был продемонстрирован как фемтосекундное оптическое переключение поляризации на основе плазмонной метаповерхности в средней инфракрасной области [1]. Кроме того, в этой работе также наблюдается максимальное усиление электрического поля, достигающее 41,8. Желательно использовать плазмонные наноантенны, которые приводят не только к «горячим точкам» с большим усилением локального поля, но и к почти идеальному поглощению. Несмотря на огромный прогресс в исследованиях увеличения локального усиления электрического поля и улучшения поглощения, достижение сильных локальных усилений электрического поля (| E _loc | / | E ₀ |> 100) и почти идеальное поглощение (> 99%) одновременно по-прежнему остается проблемой, которая будет полезна для широкого спектра приложений, включая плазмонные датчики, фотокаталитическое расщепление воды, SERS и SEIRA. С другой стороны, за исключением переключения поляризации, о котором сообщил Ян и др. [1], большинство традиционных поляризационно-селективных устройств, таких как волновые пластины и поляризаторы, основанные на электрооптических эффектах, либо статичны, либо работают с гигагерцовыми скоростями переключения, которые ограничены необходимой электроникой [45, 46]. Таким образом, для явлений или приложений эффекта EIT, резонанса Фано и плазмонных наноантенн, основанных на плазмонной метаповерхности, большинство ранее опубликованных работ обычно страдают от следующих серьезных и актуальных проблем:(i) уширение плазмонных резонансов из-за больших оптических потерь. в металлах [5]; (ii) некорректируемая рабочая длина волны эффекта EIT или резонансов Фано [35]; (iii) проблема достижения сильного локального усиления электрического поля (| E _loc | / | E ₀ |> 100) и почти идеальное поглощение (> 99%) одновременно [8]; (iv) как правило, только гигагерцовые скорости переключения поляризационно-избирательных устройств, работающих в видимом или ближнем ИК-диапазоне [1].

В этой работе, используя метод конечных разностей во временной области (FDTD) и метод конечных элементов (FEM) соответственно, мы предлагаем и численно демонстрируем оптически активную плазмонную метаповерхность, основанную на гибридизации связи в плоскости и связи вне плоскости. В этой метаповерхностной системе эффект, подобный EIT, может быть достигнут путем нарушения симметрии структуры, а рабочая длина волны окон EIT может быть настроена путем изменения показателя преломления слоя CdO, которым можно оптически управлять, настраивая свет накачки. [1]. В этом спектре отражения, подобном EIT, достигается плазмонный резонанс с высокой добротностью на длине волны 1550 нм, что намного выше, чем в ранее опубликованных работах [36,37,38,39,40,41,42,43 ]. В частности, благодаря поляризационной независимости метаповерхности, эта плазмонная метаповерхность с использованием кадмия, легированного In, также может функционировать как фемтосекундный переключатель поляризации для TM-поляризованного света на длине волны 1550 нм. Настраивая свет накачки, мы спектрально сдвигаем плазмонные резонансы в красную область, и метаповерхность достигает большой глубины модуляции отражения TM-поляризованного света от 0,003 до 60%, сохраняя при этом отражение, близкое к единице для TE-поляризованной волны. Насколько нам известно, такая большая глубина модуляции намного выше, чем у ранее описанных систем плазмонных переключателей [47,48,49,50,51,52,53,54,55]. Обратите внимание, что фемтосекундный переключатель поляризации впервые был продемонстрирован численно на основе плазмонной метаповерхности посредством гибридизации связи в плоскости и связи вне плоскости. В то же время эта метаповерхность может достигать почти идеального поглощения выше 99,9% и максимального усиления электрического поля, достигающего 108 одновременно, а сильное электрическое усиление ограничено круговой областью диаметром всего 3 нм, что очень выгодно для одиночных обнаружение молекул для многих спектроскопий с улучшенной поверхностью. Кроме того, благодаря чувствительности к изменению показателя преломления и сверхчеткому плазмонному резонансу эта метаповерхность также может работать как датчик показателя преломления со сверхвысокой добротностью (FOM).

Методы

Предлагаемая метаповерхность схематически изображена на рис. 1а. На рис. 1б представлено сечение одной элементарной ячейки метаповерхности с геометрическими параметрами, которая состоит из двух групп золотых слитков и полимерного слоя. В каждой группе есть два золотых слитка, разделенных нанощелью. Одна группа золотых слитков помещается на полимерный слой, а другая группа золотых слитков внедряется в полимерный слой. Асимметричный массив золотых наноразмеров периодически размещается на толстой золотой подложке с периодичностью P . =1395 нм. Предлагаемая метаповерхность освещается нормально падающим поперечно-магнитным (TM) светом (магнитная составляющая, перпендикулярная падающему свету). В этом расчете, чтобы гарантировать надежность и точность результатов моделирования, мы используем методы FDTD и FEM для расчета оптических свойств и распределений электромагнитного поля предлагаемой метаповерхности, соответственно. Расчет МКЭ выполняется с помощью коммерческого программного обеспечения COMSOL MULTIPHYSICS. Граничное условие периода применяется в x направлении, и мы устанавливаем идеально согласованный слой (PML) на границе y направление. Размер ячейки составляет 0,8 нм в обоих x и y направления. Диэлектрическая проницаемость Au описывается моделью Друде, а показатель преломления полимера равен 1.5 [36, 56, 57]. Предполагается, что фон моделирования находится в воздухе с n _воздух =1. Поглощение дается выражением A =1 - R , благодаря непрозрачной подложке из Au ( T =0) [58].

а Схематическая структура предлагаемой метаповерхности. б Поперечное сечение плазмонной метаповерхности с геометрическими параметрами

Результаты и обсуждение

Как показано на рис. 2а, мы рассчитали и изобразили спектры отражения и поглощения предложенной метаповерхности около 1550 нм при нормальном падении в ТМ-поляризованном свете. Для спектра поглощения есть два отдельных пика поглощения, расположенных на 1550 и 1588 нм с почти идеальной эффективностью поглощения выше 99,9% соответственно. Из спектра отражения, показанного на рис. 2b, мы наблюдаем EIT-подобный спектральный отклик этой метаповерхности в этом диапазоне длин волн, и те же результаты спектров отражения демонстрируются с использованием FDTD и FEM, соответственно. Спектр отражения предложенной метаповерхности при TE поляризации (электрическая составляющая, перпендикулярная плоскости падения) также представлен на рис. 2b черной линией, и отражение близко к таковому, которое указывает на отсутствие поглощения в этой метаповерхности для TE поляризации. Поляризационную зависимость этой метаповерхности легко объяснить асимметричным дизайном предложенной метаповерхности. Следовательно, эта метаповерхность эффективно взаимодействует для TM-поляризации и остается темной для TE-поляризации.

а Спектры поглощения и отражения плазмонной метаповерхности, показанные на рис. 1. b Спектры отражения от метаповерхности, показанные на рис. 1, рассчитанные методами FDTD и FEM соответственно. c Плазмонная метаповерхность, состоящая из двух золотых слитков, находящихся на разном расстоянии от золотой подложки. г Спектр отражения плазмонной метаповерхности, показанный на c

Чтобы легко объяснить EIT-подобный феномен предложенной метаповерхности на рис. 2a, мы сначала рассмотрим относительно простую метаповерхность без нанощели, показанную на рис. 2c, которая состоит из двух золотых нанополос, расположенных на разных расстояниях от золотой подложки. Спектр отражения этой метаповерхности без нанощели рассчитан и показан на рис. 2г. Ясно, что возникает спектральный отклик, подобный EIT, с асимметричной формой линии, что может быть связано с эффектом связи между двумя золотыми слитками. Затем исследуется процесс нарушения симметрии (рис. 3a-c) структуры, чтобы прояснить основной процесс формирования EIT-подобного окна. Вариации спектров отражения при изменении ∆d рассчитаны и изображены на рис. 3d. Для ∆d =0, имеется только один провал отражения около 1653 нм в рабочем диапазоне волн, как показано на рис. 3e. Как ∆d увеличивается, мы замечаем появление спектрального отклика, подобного EIT, с двумя провалами отражения ( ω _Влево и ω _Право ). При дальнейшем увеличении ∆d , ω _Влево режим может быть дополнительно улучшен, и эти результаты расчетов показывают, что ω _Влево режим может быть очень актуален для золотого нанобруса A. В то же время при увеличении ∆d , резонансная длина волны ω _Влево режим показывает небольшое красное смещение, а резонансная длина волны ω _Право Режим остается почти без изменений около 1653 нм. Посредством приведенного выше анализа генерация EIT-подобных явлений может способствовать асимметрии наноструктуры. Кроме того, для интерпретации плазмонного резонанса на 1395 нм в спектрах отражения, показанных на рис. 3d, g, спектры отражения сравниваются между спроектированной метаповерхностью и металлической решетчатой ​​структурой (см. Вставку на рис. 3g). Для металлической решетчатой ​​структуры существует также резонансный провал на 1395 нм, возникающий в результате возбуждения поверхностного плазмон-поляритона (ПП) из ранее опубликованных исследований [58, 59]. Таким образом, плазмонный резонанс этой метаповерхности на длине волны 1395 нм вызван возбуждением SPP.

а - c Процесс нарушения симметрии плазмонной метаповерхности показан на рис. 2в. г Спектры отражения плазмонной метаповерхности с различными ∆d в диапазоне длин волн 1100–1800 нм. е Спектр отражения плазмонной метаповерхности с ∆d =0 в диапазоне длин волн 1550–1800 нм. е Спектры отражения плазмонной метаповерхности с различными ∆d в диапазоне длин волн 1550–1800 нм. г Спектры отражения плазмонной метаповерхности с различными ∆d =92 нм и цельнометаллическая структура в диапазоне длин волн 1100–1800 нм соответственно

Затем мы также, соответственно, исследуем спектры отражения метаповерхности, построенной с использованием систем связанных с пленкой наностержней, содержащих только золотую наноструктуру A и золотую нанополосу B, как показано на рис. 4a, b. При возбуждении ТМ падающим светом отдельно более узкая плазмонная мода ( ω _A ) возбуждается в метаповерхности с помощью золотого нанобара A, а более широкая плазмонная мода ( ω _B ) наблюдается в метаповерхности с золотым наноразмером B. Чтобы более четко проиллюстрировать физический механизм, лежащий в основе этих двух плазмонных мод, мы соответственно вычислили распределения магнитного поля на этих двух провалах отражения, как показано на рис. 4c, d. Красные стрелки показывают токи, а цветная карта показывает величину магнитного поля. Для ω _A В режиме, показанном на рис. 4а, можно наблюдать, что магнитное поле ограничено зазором между золотой нанобруской А и золотой подложкой. Кроме того, антипараллельные токи наблюдаются на верхней и нижней внутренних металлических границах раздела. Следовательно, плазмонный режим в первую очередь связан с магнитным резонансом, вызванным циркулирующими токами, а энергия падающего света рассеивается за счет омических потерь металла, вызывая провал отражения в ω _A режим. Тогда для ω _B В режиме на рис. 4b циркулирующие токи имеют направление, противоположное направлению токов ω _A режим, который также может возбуждать магнитный резонанс. Для системы связанных с пленкой наностержней как с золотой нанобруской A, так и с золотой нанобарьерой B, явление на рис. 5a также можно рассматривать как двойные резонансы Фано с двумя провалами отражения ( ω _Влево и ω _Право ) из-за асимметричной формы линии [3]. Эта асимметричная форма спектральной линии, подобная Фано, и окно, подобное EIT, получены из деструктивной интерференции между более узкой плазмонной модой ( ω _A ), показанного на рис. 4а, и более широкая плазмонная мода ( ω _B ), показанную на рис. 4б. Насколько нам известно, резонансы Фано впервые наблюдаются в искусственно созданных массивах резонаторов одинаковой формы с асимметричным расположением.

а Спектр отражения плазмонной метаповерхности только с золотым наностержнем A. b Спектр отражения плазмонной метаповерхности только с золотым наностержнем B. c Расчетные распределения магнитного поля H метаповерхности на резонансных длинах волн ω _A режим. г Расчетные распределения магнитного поля H метаповерхности на резонансных длинах волн ω _B режим. (Толщина золота A и золота B составляет 92 нм; ширина золота A и золота B составляет 92 нм; толщина полимера составляет 110 нм; период составляет 1395 нм)

а Спектр отражения плазмонной метаповерхности, показанный на рис. 2. b , c Расчетные распределения магнитного поля H метаповерхности на резонансных длинах волн ω _Влево режим и ω _Право режим соответственно. г , e Расчетные распределения электрического поля (| E _loc | / | E ₀ |) метаповерхности на резонансных длинах волн ω _Влево режим и ω _Право режим соответственно

Для дальнейшего изучения физического механизма этих двух плазмонных резонансов ( ω _Влево и ω _Право ), показанные на рис. 4c, магнитное поле H и электрическое поле | E _loc | / | E ₀ | распределения на длинах волн этих двух резонансов рассчитаны и изображены на рис. 5. С одной стороны, согласно рис. 5b, c, магнитные поля в основном локализованы в диэлектрическом слое между золотыми наноструктурами и золотой подложкой, что является ключевой особенностью связи между золотыми слитками и Au-подложкой вне плоскости. Очевидно, что для этих двух резонансов, возбуждаемых на двух пиках поглощения, наблюдаются разные распределения поля. Для ω _Влево В режиме магнитного поля магнитное поле локализовано в зазоре между золотой нанобруской A и золотой подложкой, что указывает на то, что ω _Влево мода тесно связана с межплоскостной связью между золотой нанобруской A и золотой подложкой, которая похожа, но не совпадает с магнитным полем ω _A режим на рис. 4c из-за связи между ω _A режим и ω _B режим. Для ω _Право В режиме магнитного поля магнитное поле локализовано в нанозазоре между золотой нанобруской B и подложкой. Следовательно, ω _Право мода в основном обусловлена ​​внеплоскостной связью между золотой нанобруской B и золотой подложкой. С другой стороны, электрические поля сильно усиливаются и локализуются в сверхмалой области на краях золотых слитков. Затем, за исключением физических явлений EIT, эту метаповерхность также можно рассматривать как плазмонные наноантенны (PN), ограничивающие падающий свет в свободном пространстве субволновой областью с локальным усилением поля, что является очень важным и фундаментальным исследованием для нанофотонные системы. Здесь коэффициент | E _loc | / | E ₀ | определено для оценки эффективности локального усиления электрического поля PN. Как показано на рис. 5d, e, усиление локального электрического поля метаповерхности может достигать 75. Однако, хотя усиление локального электрического поля достигается с использованием систем наноразмерных стержней, связанных пленкой, согласно рис. 4c, все еще существует необходимо проделать значительный объем работы для реализации почти идеального поглощения, что приводит к небольшой глубине модуляции. Из предыдущих исследований [8] мы знаем, что достижение как значительного увеличения локального электрического поля, так и почти идеального поглощения принесет пользу широкому спектру приложений, включая плазмонные датчики, фотокаталитическое расщепление воды, SERS и SEIRA. Кроме того, эта структура метаповерхности показывает относительно более широкую ширину линии. Поскольку добротность плазмонного резонанса определяется как Q =λ / полная ширина на полувысоте (FWHM), более широкий резонанс приведет к более низкой добротности плазмонного резонанса. Следовательно, широкая полуширина и малая глубина модуляции этих резонансов могут препятствовать таким приложениям, как определение показателя преломления, переключение поляризации и замедление света, где требуется резкий спектральный отклик.

Чтобы одновременно реализовать значительное усиление локального электрического поля, почти идеальное поглощение и резонанс с высокой добротностью, здесь мы вводим концепцию гибридизации взаимодействия плазмонов вне плоскости и связи плазмонов в плоскости в этой работе. Ясно, что по сравнению с пленочной метаповерхностью нанобруса, основанной на взаимодействии вне плоскости, эта предложенная метаповерхность на рис. 1 имеет превосходные абсорбционные свойства, как показано на рис. 2. В частности, полуширина плазмонного резонанса на длине волны 1550 нм составляет 7 нм. , в результате чего добротность (Q = λ / FWHM =1550 нм / 7 нм) 221,43, что намного выше, чем в ранее опубликованных работах [36,37,38,39,40,41,42]. Затем, чтобы получить дальнейшее физическое представление о резонансах Фано с высокой добротностью и идеальном поглощении, возникающем из исходной метаповерхности на рис.1, мы построим моделируемое распределение магнитного и электрического поля на резонансных длинах волн 1550 нм ( ω ₁ ) и 1588 нм ( ω ₂ ), как показано на рис. 6. Очевидно, что магнитное поле в основном расположено в зазоре между золотым слитком и золотой подложкой, а часть магнитного поля распространяется на наносильт между двумя золотыми нанополосами. В отличие от электрического поля, возникающего только в результате взаимодействия вне плоскости, как показано на рис. 5d, e, электрическое поле этой предложенной метаповерхности также сильно локализовано в пределах сверхмалой области между двумя золотыми слитками согласно рис. 6c, d, что означает сильную связь локализованного поверхностного плазмона (LSP) между двумя золотыми нанополосами. Рисунок 6c показывает, что максимальное усиление электрического поля на резонансной длине волны может достигать 108, что примерно в 1,4 раза по сравнению с единственной связанной с пленкой метаповерхностью, показанной на рисунке 5d, что намного выше, чем у ранее описанных наноантенн [21 , 60,61,62,63,64,65]. В частности, мы можем ясно видеть, что ультрамалое «горячее пятно», характеризующееся сильным электрическим усилением, заключено в круглую область диаметром всего 3 нм. Таким образом, было показано, что эти гибридизированные метаповерхностные системы одновременно обладают превосходным поглощением, большим локальным усилением электрического поля и малым поперечным разрешением, что очень полезно для исследования точных свойств отдельных молекул для многих спектроскопий с улучшенной поверхностью из-за их способности поддерживать как LSP, так и внеплоскостные муфты.

а , b Расчетные распределения магнитного поля H метаповерхности на резонансных длинах волн 1550 и 1588 нм соответственно. c , d Расчетные распределения электрического поля (| E _loc | / | E ₀ |) метаповерхности на резонансных длинах волн 1550 и 1588 нм соответственно

Из результатов анализа на рис. 2b мы знаем, что метаповерхность эффективно соединяется для TM-поляризации и остается темной для TE-поляризации из-за асимметричной конструкции, которая имеет потенциальное применение в переключателе поляризации. Затем, учитывая, что показатель преломления ПВС (поливинилового спирта) можно изменять с изменением мощности накачки [36, 56, 57], рабочая длина волны плазмонных резонансов обычно может быть изменена путем изменения показателя преломления диэлектрического слоя. Затем рис. 7a, b иллюстрирует, что предложенная метаповерхность действительно может работать как переключатель поляризации, который основан на отражающем поляризаторе, содержащем настраиваемый резонанс для TM-поляризованного света путем изменения показателя преломления PVA. Ясно, как показано на рис. . 7b, без внешнего воздействия, TM-поляризованный свет полностью поглощается на длине волны 1550 нм (состояние «выключено»), и эта метаповерхность может полностью отражать TM-поляризованный свет на длине волны 1565 нм (состояние «включено»). При внешнем воздействии резонанс Фано для TM-поляризованной волны смещается до 1565 нм («выключенное» состояние), и эта метаповерхность становится полностью отражающей для TM-поляризованного света на 1550 нм («включено» состояние). на рис. 7б эта метаповерхность может Измените значение отражения от 0,009 до 98% на длине волны 1550 нм, и такая большая глубина модуляции намного выше, чем сообщалось ранее о системах переключения плазмонов. С другой стороны, согласно рис. 7b, отражение падающего света остается близким к отражению с внешним стимулом для TE поляризации и без него (состояние «включено»). Следовательно, эта метаповерхность может реализовать переключатель поляризации для TM-поляризованного света на основе отражающего поляризатора с коэффициентом экстинкции 11000 ( R _TE / R _TM =0,99 / 0,00009 =11000) при 1550 нм. Мы также даем расчет о влиянии угла поляризации φ на спектрах отражения, как показано на рис. 7в. Очевидно, что характеристики поглощения будут постепенно ухудшаться на резонансных длинах волн с увеличением φ . , что можно объяснить тем, что падающее электрическое поле E может быть разложено на TE- и TM-поляризованный свет, и TE-поляризованный свет отражается. На основе результатов расчетов на рис. 7c, проекции выходной поляризации метаповерхности с накачкой и без нее при 1550 и 1588 нм показаны на рис. 7d.

а Схематическая структура предлагаемой метаповерхности с накачкой. б Спектры отражения предложенной метаповерхности с падающим светом с TM- и TE-поляризацией, со светом накачки и без него. c Спектры отражения предложенной метаповерхности с различными углами поляризации. г Прогнозируемые выходные поляризации метаповерхности с накачкой и без нее на 1550 и 1588 нм

Легированный CdO является одним из видов оптически настраиваемого плазмонного материала, и фемтосекундный переключатель поляризации, работающий на 2,8 мкм на основе фотовозбужденной пленки CdO, был экспериментально продемонстрирован в недавней литературе [1]. Для дальнейшего улучшения перестраиваемой емкости нашей EIT-структуры мы исследуем оптические свойства предлагаемой метаповерхности с использованием CdO [1]. Схематическая структура метаповерхности на основе CdO с геометрическими параметрами изображена на рис. 8а. Показатели преломления MgO и CdO взяты из литературы [1, 66] соответственно. Согласно рис. 8б показаны спектры отражения с накачкой и без нее около 1568 нм. В статическом «включенном» состоянии предлагаемая метаповерхность представляет собой поляризатор, который отражает волну с TE-поляризацией и полностью поглощает волну с TM-поляризацией на длине волны 1568 нм. В статическом «выключенном» состоянии предлагаемая метаповерхность становится отражающей как для TM, так и для TE поляризаций на длине волны 1568 нм, а резонанс для TM-поляризованной волны смещается до 1581 нм из-за изменения показателя преломления CdO, легированного In, на величину внешний раздражитель. В частности, этот отражающий поляризатор может достичь огромного коэффициента экстинкции на длине волны 1568 нм для TM-поляризованного света благодаря чрезвычайно низкому R _мин показано на рис. 8b. Огромный коэффициент экстинкции метаповерхности на основе CdO делает ее хорошей платформой для активного контроля поляризации. Обратите внимание, что показатель преломления CdO может быть настроен путем изменения мощности накачки, что также может обеспечить активное управление рабочей длиной волны EIT-подобного эффекта. Кроме того, мы можем обнаружить, что свет накачки не влияет на другие материалы (включая золото, MgO), что было продемонстрировано экспериментами в этих ссылках [1, 36, 56, 57].

а Schematic structure of the CdO-based metasurface with pump light. б The reflection spectra of the CdO-based metasurface with TM- and TE-polarized incident light, with and without pump light

Besides, for the sensitivity of refractive index from the above analysis, the proposed metasurface also can be applied to detect the change of refractive index of surrounding environment. In many previously reported works about refractive index sensing, the light intensity of reflection/transmission wave is usually measured when the surrounding refractive index is variable with a specific operating wavelength. Then, to demonstrate the sensing property of this metasurface, Fig. 9 presents that the double plasmonic resonances are red-shifted with the increasing of surrounding refractive index changes. With the variation of the surrounding refractive index, the sensitivity(S) can reach S = 1500 nm/RIU. Then, the FWHM of the reflection dip at ω₁ and ω₂ is 7 and 7.5 nm respectively, which indicate that this metasurface can operate as an ultra-high FOM(S/FWHM₁  = 214.29) refractive index sensor in the near infrared region. The FOM = 214.29 is much higher than those of most previously reported plasmonic refractive index sensor [58, 67,68,69,70].

а Reflection spectra of the proposed metasurface with varying refractive index of surrounding environment. б Resonant wavelengths of the proposed metasurface as a function of the surrounding refractive index

Выводы

In this work, a novel optically tunable hybridized metasurface is proposed and exploited to generate the EIT-like phenomena around 1550 nm, which hybridizes the in-plane near-field coupling between gold nanobars and the out-of-plane near-field between gold nanobars and substrate. For the traditional design of EIT-like metamaterials, two different shaped resonators, in planar or vertical arrangement, are working as bright mode and dark mode respectively, which can induce EIT effect by bright-dark mode coupling. However, in this structure, the two individual bright modes mainly result from the two same shaped resonators with different positions, which is neither a planar structure nor a vertical structure. The resulting two fundamental plasmon modes of the hybridized system are also investigated in detail. By introducing indium-doped CdO, the operating wavelength of the EIT-like phenomenon can be tuned optically. At the same time, this metasurface is firstly demonstrated to be a femtosecond polarization switch for TM-polarized light at 1550 nm, which can realize an extinction ratio (R _TE / R _TM ) much higher than that of previously reported polarization switches. Besides, operating as plasmonic nanoantennas, this metasurface also achieves a strong local field enhancement (|E _loc |/|E ₀ |> 100) and a near-perfect absorption (> 99%) simultaneously. Owing to these above advantages, this proposed metasurface is a promising candidate for femtosecond polarization switching, plasmonic nanoantennas, and high FOM refractive index sensor.

Сокращения

EIT:

Electromagnetically induced transparency

FDTD:

Конечная разница во временной области

FE:

Field enhancement

FEM:

Метод конечных элементов

FOM:

Figure of merit

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

PML:

Perfectly matched layer

SEIRA:

Surface-enhanced infrared absorption

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering