[论文解读] Large Purcell enhancement without strong field localization

Alex Krasnok, Stanislav Glybovski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新策略，在全介质纳米结构中实现大的Purcell增强，不依赖于强局域场局域化，而是通过调控辐射方向性实现。通过利用高折射率介质阵列中暗模的集体激发，作者展示了Purcell因子最高达两个数量级的增强，该结果通过在8.6 GHz下使用陶瓷圆柱的微波实验得到验证。

ABSTRACT

The Purcell effect is defined as the modification of spontaneous decay in the presence of a resonator, and in plasmonics it is usually associated with the large local-field enhancement in "hot spots" due to surface plasmon polaritons. Here we propose a novel strategy for enhancing the Purcell effect through engineering the radiation directivity without a strict requirement of the local field enhancement. Employing this approach, we demonstrate how to enhance the Purcell effect by two orders of magnitude in all-dielectric nanostructures recently suggested as building blocks of low-loss nanophotonics and metamaterials. We support our concept by proof-of-principle microwave experiments with arrays of high-index dielectric resonators.

研究动机与目标

• 克服人们误以为大Purcell增强必须依赖等离子体‘热点’中的强局域场增强的观念。
• 解决长期以来认为全介质纳米结构由于局域场弱而固有地具有低Purcell因子的信念。
• 提出一种新的设计原理，通过聚焦辐射方向性而非局域场强度，来增强介质纳米光子学中的自发辐射。
• 证明尽管局域场增强较弱，全介质阵列中暗模的集体激发仍可导致高Purcell因子。
• 通过使用高折射率陶瓷颗粒的可扩展微波频率原型，对理论框架提供实验验证。

提出的方法

• 利用互易定理将Purcell因子与纳米天线的辐射图样和场分布相关联，而非仅依赖于局域场增强。
• 通过调控高折射率介质谐振器的辐射方向性以最大化局域态密度（LDOS），从而直接影响Purcell因子。
• 设计具有特定周期性和取向的介质圆柱阵列，以激发对称的、具有高Q因子和方向性辐射图样的集体暗模。
• 应用以散射场虚部和偶极矩表示的Purcell因子公式，强调辐射图样在其中的作用，而非局域场强度。
• 使用MgO-TiO2陶瓷圆盘（ε = 16）的微波尺度原型模拟光学行为，通过测量辐射电阻作为Purcell因子的代理指标。
• 通过测量接地面上短单极子天线的输入阻抗来提取辐射电阻，比较有无介质阵列时的阻抗值，以确定Purcell因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖强局域场增强或等离子体热点的情况下，在全介质纳米结构中实现大的Purcell增强？
• RQ2 在谐振介质系统中，辐射方向性（而非局域场强度）在多大程度上决定了Purcell因子？
• RQ3 周期性介质阵列中暗模的集体激发如何影响局域态密度和自发辐射增强？
• RQ4 能否在微波频率下实验验证介质阵列中增强Purcell因子的理论预测？
• RQ5 结构几何参数（如圆柱取向和链长）在通过控制辐射图样实现最大Purcell增强中起什么作用？

主要发现

• 全介质阵列中的Purcell因子实现了最高达两个数量级的增强，其数值显著高于以往报道的类似介质系统。
• 在8.6 GHz处，实验观测到约100的峰值Purcell因子，且仿真与测量结果高度一致。
• 该增强归因于具有高Q因子和方向性辐射图样的暗模集体激发，而非局域场增强。
• 局域场增强因子（LFEF）保持较低水平（Σ ~ 1–2），证实强场局域化并非实现大Purcell增强的必要条件。
• Purcell因子随链长增加而上升，表明集体模行为的出现，类似于无限周期系统，此时群速度概念可适用。
• 介质圆柱的取向显著影响Purcell因子：垂直排列（轴线沿链方向）产生强增强，而水平排列则因辐射方向性较弱导致增强较弱。