基于准BIC的全介质超表面的局域电场增强及其应用研究
批准号:
62105282
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
曹顺
依托单位:
学科分类:
微纳光子学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹顺
中文摘要
通过增强局域电场可以研究光与物质的相互作用。目前常用金属微纳结构增强上转换纳米粒子发光和与声子的强耦合,但是面临着金属固有损耗较大的问题。因此低损耗的全介质超表面在此方面具有很高的研究意义。具有高Q值的准连续体中的束缚态(BIC)可以极大提高全介质超表面的局域电场增强,对发光器件和传感器等诸多领域有重要意义。本项目研究全介质超表面的参数对准BIC的Q值和局域电场增强的影响。面向增强上转换纳米粒子发光和与声子强耦合的两个应用,研究并设计具有双准BIC和中红外准BIC的全介质超表面,重点研究基于准BIC的超表面在增强光与纳米粒子和声子相互作用的性质。以期实现上转换纳米粒子的发光增强和超表面与声子共振的强耦合,提高上转换纳米粒子和声子极化子在生物成像、生物传感等领域的应用潜力。深入研究这些内容,有助于不断完善和发展基于准BIC的全介质超表面在增强光与物质相互作用、发光增强和中红外光学器件的应用。
英文摘要
By enhancing local electric fields can study the interactions between light and matter. While metal micro/nanostructures are commonly used to enhance the upconversion nanoparticles and strong coupling with phonons, it is faced with the problem of high intrinsic loss of the metal materials. Therefore, it is much meaningful to study the all-dielectric metasurface with low loss. The quasi bound states in a continuum (BIC) with high Q value can greatly improve the local electric field enhancement of the metasurface, which has great significance in many fields such as light-emitting devices and sensors. This project intends to study the effects of different parameters of the metasurface on the Q value and the local electric field enhancement. For two applications of enhancing the upconversion nanoparticles and strong coupled with phonon resonance, we study and design the double quasi-BIC and infrared quasi-BIC all-dielectric metasurfaces, key study the metasurfaces based on quasi-BIC in modulating the local field and enhancing the interactions between light and nanoparticles/phonons, in order to achieve brightening upconversion nanoparticles and strong coupled with phonon resonance and improve the potential in applications of upconversion nanoparticles and phonon polaron in biological imaging and biosensors. These results will definitely improve and develop the applications of all-dielectric metasurfaces based on quasi-BIC in enhancing light-matter interactions, fluorescence signals enhancement and mid-infrared optical devices.
本项目在《基于准BIC的全介质超表面的局域电场增强及其应用研究》项目的资助下,旨在研究可产生局域电场增强的准BIC和其他共振模式在光与物质强相互作用方面的应用,包括超表面与单个量子点强耦合以及导波模式在超灵敏传感反面的应用。项目执行期间,我们理论与仿真相结合,研究金属/全介质超表面、BIC模式中的哈密顿量、FW(Friedrich-Wintgen)-BIC的含时演化分析。通过这些研究活动,我们取得了以下主要成果:. 1.我们设计并研究了将等离子纳米天线放置在金属薄膜上,以实现纳米间隙的超高电场增强和超小光学模式体积。通过数值模拟和理论计算,详细研究了单个量子点(QD)与设计结构之间的强耦合。当单个QD插入银纳米天线的纳米间隙时,可以通过优化纳米天线厚度在散射光谱中实现较大的真空拉比劈裂和反交叉行为。我们的这项研究工作展示了另一种在单个量子发射极限下增强光/物质相互作用的方法,这对许多纳米光子和量子应用都很有用。. 2.发明了一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片,包括第一层透明介质基底、第二层介质薄膜以及最上层周期性的超表面光栅阵列。通过调整超表面光栅阵列的结构参数,可获得可调节的高Q值GMR(导波模共振)谐振峰,同时具有剧烈相位突变的性质,可应用于超灵敏的古斯汉森位移传感。本发明采用全介质GMR型超表面结构,可以极大增强古斯汉森位移,具有高效和高灵敏度等特点。. 我们还研究了周期金属结构中的微波传播模式、佩尔斯光子学相变和表面等离激元等,这些发现对深入理解电磁波传输特性具有重要意义,并可能对未来调控电磁波也具有指导意义。. 在项目执行过程中,我们发表了4篇学术论文,申请了1项专利。此外,本项目还资助了3名研究生的研究工作,为他们提供了宝贵的科研经验。.本项目的成功完成,不仅加深了我们对BIC的物理本质/量子力学相关概念的理解,而且促进了BIC的传感、光与物质的强相互作用相关领域的发展。
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