[发明专利]一种具有双连续谱束缚态特性的超构表面

说明书

本发明属于超表面技术领域，具体为一种具有双连续谱束缚态特性的超构表面。本发明超构表面是由圆盘或者圆环及C型开口环组成的单元经周期延拓形成的阵列，材料为金；该结构下有一层金膜作为反射层；金属膜下面是作为整体结构的支撑层。其中，所述圆盘或者圆环包含在C型开口环内，并紧贴C型开口环内壁；记圆盘或者圆环的外半径为R，C型开口环开口对应弧度为θ，C型开口环的宽度为r，C型开口环的厚度为h,金膜的厚度为t，单元延拓的周期为P；本发明超构表面结构具有很多的调控自由度，以实现Q值、共振波长、共振模式的调节。

技术领域

本发明属于超表面技术领域，具体涉及具有双连续谱束缚态特性的超构表面。

背景技术

当光与金属纳米颗粒相互作用时，其自由电子可以被入射电场驱动，产生集体振荡，这种现象被称为局域表面等离子共振(LSPRs)。在金属颗粒表面，LSPRs对光场具有极强的约束作用，并且对外界环境的变化十分明显，因此可以进行高灵敏生化传感应用。但是LSPRs自身具有明显的欧姆损耗，使得其品质因子（Q值）非常低。而Q值又与探测精度有关，因此LSPRs的低Q特性限值了其探测性能。

将金属纳米颗粒组成有序的阵列可以产生具有高Q响应的共振。这种由周期阵列中纳米颗粒之间的（即LSPRs之间的）相干作用和耦合产生的新型共振效应，称为表面晶格共振（SLRs）。

上述SLRs虽然具有高Q值的特性，但是其实现往往需要一个折射率分布对称环境下（即结构的基底折射率和外界折射率相同）。如果结构处于上下折射率差较大的环境下，会使其Q值和共振强度都明显的下降。一般而言，SLRs结构的基底折射率为二氧化硅或者玻璃材料，对应的折射率为1.46-1.5左右。生物检测在水相环境下进行，对应折射率为1.33，相对于基底折射率有一定的差异，虽然也有相关报道可以在这种环境下实现SLRs效应，但是其Q值和共振强度都不高。而气体探测直接在空气环境下进行，对应折射率为1，大部分器件在这种大折射率差下不会产生SLRs效应。有报道表明，采用一层厚金属膜作为纳米阵列的基底可以有效解决上下环境折射率需匹配的问题，但是增加的金属膜会带来更多的损耗，影响最终的Q值。

连续谱束缚态BICs是一种处于连续辐射光谱区域的无辐射本征态。BICs的特点在于：尽管其处于连续辐射谱区域但是它并不与辐射场耦合，因此存在无限长的光子寿命，即无穷大的Q值。BICs主要分为对称保护型（SP-BICs）和共振型（也称偶发型，FW-BICs），前者的产生是由于结构面内模式和面外模式对称性在Γ点不兼容；后者的产生是由于结构参数导致了向外辐射完全的干涉相消。理想的BIC仅是数学上的概念，实际中由于加工误差，有限的单元数，材料吸收等原因是无法得到的，这些差异使得BIC转换为准BIC（quasi-BIC），同样具有高Q值（但不是无穷大）。在金属材料体系下，BICs可以看做是SLRs的一种特殊状态。

发明内容

本发明旨在解决上述SLRs普遍存在的需保持环境折射率匹配的问题，无法做到大动态范围内（如大的折射率变化）仍然保持高Q，高信噪比的问题，提供一种具有双连续谱束缚态特性的超构表面。

本发明通过在金属基底上设计出具有BICs特性的SLRs结构来解决上述问题。首先金属基底可以解决结构对对称环境的依赖；接着，通过结构设计产生BICs（或者quasi-BIC）现象可以进一步调节结构整体的Q值，由此，可以实现SLRs共振模式从空气到液体环境中一直保持高信噪比及高Q值。

本发明提供的具有双连续谱束缚态特性的超构表面，是由圆盘（或者圆环）及C型开口环组成的单元经周期延拓形成的阵列，材料为金；后统称其为超构表面；该结构下有一层金膜作为反射层；金属膜下面是衬底，作为整体结构的支撑层。其中，所述圆盘或者圆环包含在C型开口环内，并紧贴C型开口环内壁；记圆盘或者圆环的外半径为R，C型开口环开口对应弧度为θ，C型开口环的宽度为r，C型开口环的厚度为h,金膜的厚度为t，单元延拓的周期为P。

本发明中，所述衬底材料为硅、氧化硅或者玻璃等。