基于BIC的多气体检测

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近日，山东高等技术研究院吴小虎教授和河南师范大学于坤教授合作，提出了一种创新的光栅结构，旨在实现体检测集成小型化。该结构采用Si光栅层，SiO₂中间薄膜层和Ag基底层组成法布里-珀罗结构，显著提升了气体检测的Q因子和多气体检测集成功能，并容易匹配气体(CH₄，CO₂，CO，NO和NH₃)在3-6μm范围内的多个互不影响的吸收峰，以减少混合气体对测量的影响。实现了三气体检测的小型化集成。相关成果以“High-sensitivity multi-gas detection using dual-ridge metasurface emitters with polarization-distinguishable emission spectra”为题，发表在《Optics Express》上。

近年来，非接触式气体检测技术因其在工业过程控制、医疗诊断、和环境监测等领域的广泛应用而受到研究人员的广泛关注。与基于折射率变化的光纤气体传感器技术[ 7 ]和基于电阻变化的半导体气体传感器[ 8 ]不同，非色散红外( NDIR )技术是通过检测红外光源穿过含有目标检测气体的气室前后光强的衰减来实现的。随后，对腔体内气体的组分和浓度进行分析，有效识别目标气体分子在中红外光谱范围内的振动或转动频率，通常称为"分子指纹"。

为了克服设计用于气体检测的窄带光谱发射器的这些挑战，本研究提出了一种覆盖一维双脊光栅的法布里珀罗腔结构。与传统的FP腔只关注TM偏振下的FP共振不同，覆盖了一层双脊光栅提供了额外的自由度来实现TM与TE偏振下的qBICs。由于较小的材料损耗，这两种偏振相关模式在3 ~ 6 μ m波长范围内具有较高的Q发射率峰值。图1 (a)描述了所提出的周期性一维光栅。整个结构分为三层，最上层是由周期为P=3600 nm的双脊光栅组成，光栅的高度h₁=850 nm，宽度L=650 nm，在不打破结构对称性时两光栅的间距w₁ = w₂= 1150 nm,光栅材料为Si。中间层为h₂= 210 nm厚的SiO₂薄膜，该层作为法布里珀罗腔体。最下面一层为200 nm厚的Au层作为全反射层。该结构通过改变w₁的大小打破结构的轴对称性来获取qBICs模式。该结构在不打破结构对称性时只有法布里珀罗共振所产生的一条吸收峰，该峰的波长处对应CH₄气体的吸收波长，如图1 （c）的蓝色曲线所示。将在不打破结构对称性时的光栅间距设为w₀ = 1150 nm，将改变结构参数后的光栅间距设为w₁，此时将不对称度设为Δd = (w₁ – w₀)/2。在Δd = 10 nm时在TM波正入射条件下获得了一条额外的吸收峰，如图1 （c）中的橙色曲线所示。从图中可以看出在产生了一条由qBIC模式引起的吸收峰后，由法布里珀罗共振所引起的吸收峰的吸收率有略微下降，但是半高宽(FWHM)几乎不变。而由qBIC模式所引起的吸收峰有着较高的吸收率，该峰的波长位置对应于NO气体的吸收波段。

图1.( a )双脊光栅结构示意图。( b ) y - z平面周期结构示意图。( c )不对称性Δ d分别为0和10 nm时的吸收光谱。

首先，本研究分析了不对称度Δd的变化对两吸收峰的影响。图2 (a)为两种吸收峰随Δd改变时的变化，这种变化在Δd正向及负向变化时的趋势及速率是完全相同的。且在|Δd|较小时，由qBIC引起的吸收峰强度较弱，但同时其半高宽也较窄，FP共振引起的吸收峰拥有更高的吸收及更窄的半高宽；在|Δd|逐渐增大时，qBIC模式逐渐增强，在|Δd| = 15 nm时具有完美吸收，半高宽也逐渐增大，因受到结构参数变化的影响，FP共振逐渐减弱，在|Δd|= 15 nm 时的吸收率降到86.73%。图2 （b）所示的能带图更直观的展示半高宽变化，qBIC模式的线宽随着|Δd|的增大而增大，而FP模式的线宽则不受不对称度的影响，Δd仅能影响FP共振峰的吸收强弱。图2 (c)为两种吸收峰的Q因子。蓝色虚线为qBIC模式，其Q因子与|Δd|呈平方反比关系，而FP模式的Q因子几乎保持不变。

图2. ( a )两个峰的吸收光谱随Δ d的变化。( b )两个峰随Δ d变化的能带图。( c ) Q因子随Δ d的变化趋势。

为了理解FP共振和qBIC的出现，本研究对其多极展开进行了分析。图3 (a)为Δd = 11 nm时FP共振处的散射截面。MD模式(黄色实线)占主导地位，增强了3417nm处的共振。模拟得到的y-z平面在相应模式下的电场|E|和电场分量E_y分别如图3 (b)和(c)所示。从图3 (b)可以看出，电场主要局域在光栅表面，但从图3 （c）所展示的E_y可以明显看出，在FP腔体处即SiO₂层同样存在电场增强，且整体呈Fano共振的电场特性。图3 (d)则是qBIC模式的散射截面。同样的，MD模式(黄色实线)在qBIC中占主导地位，但EQ模式(紫色实线)起次级贡献，这与FP模式中TD模式(橙色实线)起次级贡献这一点所不同。这一点在图3 (e)所展示的电场图得到了验证，在两光栅之间的SiO₂层表面处，电矢量是涡旋状的，沿着x方向形成MD。qBIC模式的电场与FP模式电场截然相反，不论是|E|的电场还是E_y电场，电场增强只存在于光栅表面和FP腔体内，光栅结构中并无明显的电场增强。这给出了通过调节不同参数分别控制两种共振的可能性。

图3. ( a )，( d ) Δd = 11 nm处FP模和q BIC模的电偶极子( ED )、磁偶极子( MD )、环偶极子( TD )、电四极子( EQ )和磁四极子( MQ )的散射功率。( b ) λ = 3287nm处的y - z电场| E |分布和( c ) y - z电场Ey分布。箭头代表位移电流矢量。在λ = 5173 nm处，( e ) y - z场的电场| E |分布和( f ) y - z场的电场Ey分布。箭头代表位移电流矢量。

基于以上认知，本研究通过合理调节参数，将FP吸收峰和qBIC吸收峰的波长位置调节到了另外的气体吸收波段。改变后的结构参数周期P=3800 nm，光栅宽度L=1100 nm，光栅间距w₀=800 nm。图4 (a)展示了TM波及TE波在不同对称度Δd下的吸收光谱图。在该结构参数下将FP共振波长调谐到了4326 nm处，对应于CO₂吸收波段。在Δd=10 nm时qBIC模式的吸收峰波长位置为5638 nm，对应于NH₃吸收波段。此外在TE波段同样获得了qBIC模式的吸收峰，并且比TM波下吸收峰的半高宽更窄，吸收率更高，且该吸收峰位置对应于NO吸收波段。在图1所示的结构参数下同样也存在这样的吸收峰，但是吸收率极低，无法用于气体传感。接着计算了TE波下qBIC模式随Δd的变化趋势，如图4 (b)所示。这与图2 (b)所展示的TM波下的qBIC变化趋势完全相同。该结构为在FP腔结构基础上引入qBIC，因此我们进一步计算了FP腔体厚度h₂对各个模式的影响。图4 (c)为TE波下qBIC模式随厚度h₂变化的能带图，其中qBIC模式的线宽几乎没有发生变化，仅仅改变了波长位置。图4 (d)为TM波下FP模式与qBIC模式随厚度h₂变化的能带图，低波长处的为FP模式，高波长处的为qBIC模式。FP模式受厚度h₂的影响更加强烈，甚至模式逐渐消失，而qBIC模式的线宽也只发生了微小的变化。

图4. ( a ) TM波下Δ d为0和10 nm时的吸收光谱，TE波下Δ d为0和10 nm时的吸收光谱。( b ) TE波作用下q BIC模随Δ d变化的能带图。( c ) TE波作用下q BIC模随h₂变化的能带图。( d ) TM波作用下q BIC模态和FP模态随h₂变化的能带图。

为探究这种三带传感器的内在机理，同样利用FDTD求解器计算了TM和TE偏振下吸收峰处的电场分布，三带传感器与双带传感器在TM偏振下的qBIC电场分布并无明显差别，这里不再赘述。为了研究不对称参数Δd的变化对FP共振共振有何影响，分别研究了在Δd= 0与Δd= 10 nm时的电场分布，计算得到的两种电场|E|分别为图5 (a)与(b)。在增大不对称度后FP共振的电场增强在光栅表面与FP腔体内有着明显的减弱，在两光栅间与FP腔体内的电场变化尤为明显。进一步查看两种不对称参数下E_y的电场分布，分别为图5(d)与(e)。在引入不对称度后，光栅顶部的电场增强更为突出，FP腔体内部的电场略微减弱，但总体有着更大范围的电场增强，使得结构内激发更强的FP共振，这对应于图4 (a)的吸收光谱图中在增大Δd后FP共振产生的吸收峰有着更强的吸收。特别的，在TE偏振下计算了吸收峰处的磁场而不是电场，这是因为TE偏振下电场方向与光栅延伸方向平行，不会有特殊的激发，因此在此处对磁场进行了分析。计算得到的磁场|H|与H_z分别为图5 (c)和(f)。两种磁场图中均显示了光栅内部有着极强的磁场增强，但在光栅与Au反射层之间的FP腔体处却几乎没有增强，这都与图3(e)和(f)展示的TM偏振下的电场截然相反。在TE偏振下磁场的激发更加强烈，这证实了TE偏振下吸收峰的吸收率和Q因子更高。

图5. 分别为( a ) Δd = 0和( b ) Δd = 10nm的TM波作用下的电场| E |分布。TM波下电场Ey的分布分别为( d ) Δd = 0和( e ) Δd = 10 nm。( c ) TE波作用下Δ d = 10 nm处的磁场| H |分布。( f ) TE波作用下Δ d = 10 nm处磁场Hy的分布。