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00｜论文信息
01｜研究背景
高Q因子完美吸收器在特定的窄光谱范围内可以提供接近100%的光吸收，在光探测、热发射和传感器中具有很大的潜力。基于金属纳米结构的等离子共振常用于实现高Q因子的完美吸收。然而，由于金属在高效光吸收下的欧姆损耗总是伴随大量热量释放。此外，其宽线宽和低热损伤阈值等缺陷进一步限制了器件的性能。此外，基于Mie共振固有的高辐射损耗往往导致吸收器的Q因子较低，甚至低至Q=10。因此，开发高Q因子全介质吸收器需要进一步提高吸收效率，降低辐射损耗。
在这篇文章中，作者设计了一种由双Si纳米棒和SiO2/Ta2O5多层膜组成的全介质超表面（ADM）的高Q近完美吸收材料。在该设计中，通过在双纳米棒中引入不对称长度，可以激发出由电偶极子(ED)控制的低辐射损耗的准BIC。在6层SiO2/Ta2O5薄膜提供的高反射背景下，对称耦合的准连续域束缚态（BIC）转变为非对称耦合模式，从而破坏了50%的AL。从数值和理论上证明了所提出的ADM的最大吸收超过98%，并且具有高达2842的Q因子。此外，ADM的工作波长是可调的，并且对几何参数变化具有比较大的制备容差，在成像、光电探测和光学滤波等领域具有潜在的应用前景。
02｜研究内容
2.1 ADM实现高Q因子准BIC示意图
图1(a)显示了所提出的ADM的示意性结构，其由顶部的周期性双纳米棒和底部的SiO2/Ta2O5多层组成。通过减小一根纳米棒中的δ长度，可以打破结构的面外对称性，获得准BIC结构。多层SiO2/Ta2O5可以为准bic共振提供高反射背景；因此，层数(N)对ADM的吸收性能有显著影响。图1(b)给出了不同N值下无损耗结构反射系数的幅值。随着N的增加，结构的背景反射能力显著提高，当N = 6时，研究波段的r接近于1，这个高反射的背景地足以支撑结构实现非对称耦合。另外，当N设置为6时，超表面的总厚度小于2µm。为了证实BIC所研究波段的存在，图1(c)和图1(d)分别给出了δ = 0nm时超表面特征模的能带和对应的q因子。在图1(c)中，该结构在940-955 nm波段具有本征模。在本征模模式Γ点的xz平面（通过纳米棒的中心）的电场如图所示，并被表征为ED模式。在图1(d)中，本征模态的辐射Q因子在Γ点处趋于无穷大，当它偏离Γ点时呈指数衰减。这表明本征模是一个对称保护的BIC。
图1.(a)ADM的结构示意图。超表面的几何参数为P=630nm，d=75nm，w=140nm，L=325nm，h=260nm，H=195nm，D=85nm，δ=50nm。SiO2衬底默认为无限厚。(b)不同SiO2/Ta2O5层数的无损超表面反射系数的振幅。(c)当δ=0nm时，靠近Γ点的无损超表面的能带和(d)其相应的Q因子。
2.2 无损和有损超表面的反射谱和吸收谱
图2(a)显示了当δ = 0时，C2对称超表面的对称保护BIC不能与入射波耦合，反射光谱呈现出光滑的高反射谱线。当δ ≠ 0时，非辐射BIC反式形成高Q因子的辐射准BIC，对应于反射谱中出现的尖锐反射峰。反射峰的线宽也随着δ的增大而变宽。在图2(b)中，Q因子对不对称参数δ表现出反二次律。在2(c)和(d)中展示了不同 δ下损耗超表面的吸收光谱和总q因子。同样，当δ = 0时，在BIC下的光谱中无法观察到吸收峰。随着δ的增大，超表面的吸收先增大（在δ = 50 nm处达到最大值）后减小。在δ = 50 nm处，超表面在943.68 nm处的吸收率接近完美，达到98.05%，Q因子高达2842。此方案在q因子增强方面具有显著的优势。
图2.(a)不同δ的无损超表面的反射光谱和(b)辐射Q因子。具有不同δ的有耗超表面的(c)吸收光谱和(d)总Q因子。
2.3 TCMT分析近完美光吸收
图3(a)和图3(b)分别给出了δ = 0 nm和50 nm处无损耗超表面反射系数的幅值和相位。在图3(a)中，SiO2/Ta2O5多层膜在准BIC谐振波长处具有高反射背景，对应于反射系数r = 0.9747和φb = 2.10626的幅值和相位。在图3(b)中，δ = 50 nm准bic共振处的φq =-0.53426。得到cos φ = -0.9995, γt/γr = 0.0323。这表明由超表面支持的准BIC共振在与透射和反射端口耦合方面是高度不对称的。图3(c)计算得到的吸收谱图。为了深入了解准BIC的物理机制，分析了超表面的电磁多极散射功率。在笛卡尔坐标系下，从介质内部位移电流密度得到了5种主要的多极模式，分别是ED、磁偶极子（MD）、环向偶极子（TD）、电四极（EQ）和磁四极子（MQ）。图3(d)显示了δ = 50 nm的超表面5个多极模式的散射贡献，可以看出非对称耦合ED模式主导准BIC共振。为了更直观地显示准BIC的辐射图，图3(e)给出了吸收峰处超表面的三维远场辐射图。发现ED呈圆形辐射模式，在z方向上具有暗轴，准BIC谐振波长处xz平面的电场分布（颜色）和电流分布（矢量）可以用来验证ED的主导行为，如图3(f)所示。准BIC共振的电场在纳米棒和Si/ sio2界面上有很好的局域化。
图3.(a)δ=0nm和(b)δ=50nm的无损超表面的反射系数的振幅和相位。(c)模拟和理论吸收光谱，(d)多极分解，和(e)δ=50nm的所提出的ADM的远场辐射(在谐振波长处)。(f)谐振波长下xz平面(通过纳米棒的中心)中超表面的电场分布。灰色箭头表示电流矢量。
2.4 几何参数对ADM吸收性能的影响
图4显示了6个参数（H、D、H、L、P和D）在设计值±10 nm范围内的ADM吸收光谱。Fig4(a)表明SiO2薄膜厚度的变化基本不影响吸收光谱。在图4(b) -4 (d)中，d、h和L的增加都引起了共振波长的红移，但吸收光谱的线宽基本保持不变。从图4(e)中可以看出，周期P的增加导致共振波长的红移更加剧烈，吸收光谱的线宽变窄。与前5个参数不同的是，从图4(f)中可以看出，d的增加会导致共振峰发生蓝移，但吸收光谱的线宽保持不变。结果表明，通过设计不同的参数，可以实现对器件共振波长的调制。此外，当6个参数偏离理论值±10 nm时，超表面的最大吸收率保持在95%以上。
图4.所提出的ADM的吸收光谱分别作为(a)H、(b)D、(c)h、(d)L、(e)P和(f)d的函数。
03｜总结
文章通过在双纳米棒中引入不对称长度，进而激发ED模主导的准BIC共振。利用由SiO2/Ta2O5多层膜提供的宽带高反射背景，非对称耦合准BIC共振使得超表面在943.68nm处获得98.05%的吸收，Q因子为2842。基于TCMT理论，理论上验证非对称耦合准BIC的高Q近完全吸收。通过调整几何参数，可以在保持线宽不变的情况下实现谐振波长的可调谐。此外，该超表面具有较大的工艺容差，即使几何参数偏离±10nm，仍保持95%以上的光吸收效率。
文章来源
Zhisen Huang, Jin Wang, Wei Jia, Shanwen Zhang, Changhe Zhou, All-dielectric metasurfaces enabled by quasi-BIC for high-Q near-perfect light absorption, Optics Letters, 50(1), 105-108 (2025).
https://doi.org/10.1364/OL.541553
