近日，北京邮电大学的赵同刚教授团队研究人员提出了一种利用金属-绝缘体-金属（MIM）结构的近红外手性超材料吸收结构，在双波长范围内实现了选择性吸收。对该结构内的电场和磁场分布进行研究，实现了对每个谐振波长的独立控制，展现了无与伦比的设计灵活性，对分子检测和光开关等应用的进步具有重要意义。
本文要点
1. 建立了一种利用金属-绝缘体-金属（MIM）结构的近红外手性吸收结构，可实现选择性吸收
2. 对共振腔内的电磁分布特性展开研究
3. 通过调节单个谐振腔参数，可实现对每个谐振波长的独立控制
研究背景
手性超材料结合了超材料和手性性质，具有非常特殊的光学性质，可以实现电磁波的高度选择性吸收、传输和反射，因此在电磁波控制领域显示出巨大的潜力。通过对微结构的精确控制，可以实现更高效的光吸收和光控效果。然而，先前发表的基于等离子体的手性超材料吸收剂，尽管具有出色的性能，但仅在单一波长范围内起作用，这仍需要进一步深入研究。
研究内容
结构设计
该装置单元的核心概念植根于传统的金属-绝缘体-金属（MIM）架构。最上层为金，呈π形。谐振腔在周期段内和周期段之间错综复杂地集成在一起，从而构成谐振腔。在设计过程中，采用时域有限差分法(FDTD)对结构进行了数值优化，确定了最优的几何参数。
图1 设计的手性吸收结构的示意图 (a)三维视图 (b)俯视图
结果与讨论
利用上述模型，利用时域有限差分法在1500 ~ 3000 nm范围内进行了仿真。获得的手性吸收结构性能示意图如图2所示。
图2 (a)手性吸收结构吸收的数值模拟结果。蓝线红线分别表示LCP、RCP入射下的吸收光谱 (b)手性吸收结构的圆二色性曲线。实线表示LCP大于RCP的部分，虚线表示RCP大于LCP的部分。
作为一般原理，超材料器件的热学特性可以用圆二色性吸收（CDA）来概括：
计算表明，对于RCP光入射，在1625.3 nm处的CDA值为0.75。在LCP光入射下，2459.6 nm处的CDA值为0.7。这证实了研究人员成功地控制了结构对近红外光谱中圆偏振光的响应。
上述观察到的选择性圆偏振光吸收与类π矩形结构激发的等离激元共振模式有关。为了更深入地研究吸收机理，研究人员研究了金属层和介电层之间的电场分布，如图3所示。
图3 (a) LCP光入射时设计的超表面结构在1625.3 nm处的电场分布。(b) RCP光入射时设计的超表面结构在1625.3 nm处的电场分布。(c) LCP光入射时设计的超表面结构在2459.6 nm处的电场分布。(d) RCP光入射时设计的超表面结构在1625.3 nm处的电场分布。
从图3a可以明显看出，在1625.3 nm的LCP入射下，周期结构内形成的空腔内部和空腔之间会产生强烈的局部表面等离子体共振（LSPR）。相反，在RCP入射下，相应的共振模式大部分被抑制。这种二分法导致LCP和RCP的吸收差异，导致CDA值在此节点最高，为0.75在2459.6 nm处，只有RCP光能够充分激发相应腔内的共振，产生强耦合，获得高达0.7的CDA值。
图4(a-b)展示了在模式a和b的构型中，电偶极子相互作用产生了强手性吸收。顶层Au层的电荷分布如图4(c-d)所示。(c)中的电荷分布沿LCP光的电场旋转方向旋转，而(d)中的电荷沿RCP光的方向旋转。
图4 (a) LCP光入射时，顶部Au层1625.3 nm吸收峰位移电流分布 (b) RCP光入射时，顶部Au层2459.6 nm吸收峰位移电流分布 (c) LCP光入射时，第一个吸收峰(1625.3 nm)处的电荷分布 (d) RCP光入射时，第二个吸收峰(2459.6 nm)处的电荷分布
研究人员的主要目标是在LCP和RCP发生率下选择性地触发不同的腔共振，从而导致差分吸收。为了解释共振增强和干涉放大，研究人员采用了Fabry-P ' erot空腔模型：
该方程涉及反射光振幅(U)、反射衰减系数(r)、频率(f)、Fabry-P ' erot腔宽度(d)和真空中的光速(c)。值得注意的是，调整d可以精确控制腔的共振波长。根据图1a，其中三个空腔明显，研究人员使用三个关键参数：P(结构周期)，w(空隙宽度)和α来调节不同位置的空腔宽度(d)。此外，研究人员将g因子参数与CDA结合使用，对差分吸收强度进行整体量化。
图1(a) 三种空腔示意图
首先，通过周期P来实现腔①和腔②的调制，通过改变P的值，同时影响腔①和腔②的宽度，如图5所示。
图5 (a)(b）分别在LCP与RCP光入射下，模拟了结构参数P在950 nm ~ 1150 nm范围内的吸收光谱变化 (c)CD光谱的变化 (d) g因子的变化
从图5(a)可以看出，在LCP光入射下，随着周期的增加，吸收先增加后减小，同时共振波长出现红移。在P=1000 nm处，吸收趋于一致，这是由于腔①和腔②的共振耦合。在RCP光入射的情况下也观察到类似趋势。然而，在该波长范围内，在P=1000nm处，腔间的共振耦合减弱，导致吸收仅为0.8。可以推断，在P=1050nm处，LCP和RCP都存在平衡的微分吸收。
由于P周期在宏观水平上同时影响空腔①和②，研究人员可以深入研究对单个吸收峰的微观控制。为此，研究人员对80°到95°范围内的参数α进行了研究，结果如图6所示，最优参数选择是α=95°。此外，当需要时，α可以独立微调以调节RCP吸收峰的吸收效率和共振波长。
图6 (a)(b)分别在LCP与RCP光入射下，模拟了结构参数α在80 ~ 95°范围内的吸收光谱变化 (c)CD谱的变化 (d)g因子的变化
除了调节空腔①和②来微调左圆和右圆吸收外，还可以通过调制空腔③来单独控制微分吸收的吸收率。无论是与空腔①对应的左圆形吸收峰，还是与空腔②对应的右圆形吸收峰，都是它们与空腔③耦合的结果。因此，研究人员在5nm到65nm的范围内对参数w进行了模拟，结果如图7所示，最终的参数优化选择w=35nm。
图7 (a)(b)分别在LCP光入射下，模拟了结构参数w在5~65 nm范围内的吸收光谱变化 (c) CD光谱的变化 (d) g因子的变化
从这些参数调整对CDA和g因子的影响可以看出，通过独立修改参数P、α和w，可以微调左圆和右圆吸收峰的位置和大小。这凸显了该设备的设计灵活性，使其适应各种应用场景。
研究人员定义CDLCP为ALCP - ARCP的最大值，CDRCP为ARCP - ALCP的最大值（A=1-T-R）。差分双峰吸收是指在RCP和LCP作用下产生不同吸收峰的能力。以上述相关参数为指标，表1总结了近年来在近红外和中红外范围内显著的手性吸收结构。
通过对比分析，该设计有两个明显优势：
a)明显的圆二色性和明显的手性不对称。
b)在不同入射圆偏振下诱导不同峰的能力，同时保持较高的CDA值。
因此，该文对后续设计手性吸收结构具有特殊的参考意义。
总结与展望
综上所述，能够在近红外范围内实现差分双峰吸收的吸收器已经成功设计和验证。手性超材料吸收体在LCP和RCP入射下的吸收选择性是通过独特的谐振腔设计调整实现的。结果表明，通过改变与不同谐振腔相关的几何参数，可以改变谐振腔之间的耦合效应，从而可以对LCP和RCP的吸收效应进行单独控制。分析了LCP和RCP入射下π形图案的电场强度分布和电磁场矢量分布，揭示了所设计的手性超表面内不同偏振光的手性响应和CDA选择的机理。研究人员目前的研究结果表明，所提出的超表面结构可以在不需要进一步调整的情况下产生不同的RCP和LCP共振波长，同时保持较高的CDA值。展望未来，可以将相变材料或栅极控制等附加功能引入到结构中，以实现基于超表面热性能的更灵活的动态调谐。随着硅基半导体芯片技术的发展遇到瓶颈，光电芯片的研究日益突出。研究人员认为研究中提出的双峰吸收器在未来可以广泛应用于光电子芯片中的光开关。
文献详情
Ziang Gao , Pu Wang , Zhengshan Xu , Tonggang Zhao
Optics & Laser Technology 175 (2024) 110826
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.110826
