[论文解读] Narrow quadrupolar surface lattice resonances and band reversal in vertical metal-insulator-metal gratings

Xinyu Fang, Lei Xiong+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Optical Coatings and Gratings参考文献 29被引用 11

一句话总结

该论文在垂直金属-绝缘体-金属（MIM）纳米光栅中，于正入射条件下实现了高品质因子（Q = 979）的窄带四极子表面晶格共振（SLRs），实现了极宽的波长可调谐性（756 nm），并首次观察到带隙反转效应，通过改变入射角可动态调控共振线型，从非对称Fano凹陷转变为对称Lorentzian峰。

ABSTRACT

We report narrow quadrupolar surface lattice resonances (SLRs) under normal incidence, and the observation, for the first time, of the band reversal effect of SLRs supported by a vertical metal-insulator-metal nanograting, which is embedded in a homogeneous dielectric environment. Simulation results show that under normal incidence, quadrupolar SLR with linewidth of 1~nm and high quality factor of 979 can be excited in the near-infrared regime, and that under oblique incidence, out-of-plane dipolar SLRs of relatively large quality factors (>=150) can be launched. By varying the incidence angle, the SLR wavelength can be continuously tuned over an extremely broadband range of 750 nm, covering most of the near-infrared regime, and the quality factor decreases exponentially. Remarkably, the resonance lineshape can also be dynamically tuned from an asymmetric Fano-shaped dip to a peak, a dip/peak pair, and a perfect symmetric Lorentzian peak, suggesting the appearance of the band reversal effect. We expect the high-Q SLRs with broadband tunability and tunable lineshapes will find potential applications in enhanced nanoscale light-matter interactions in nanolasers, nonlinear optics and sensing.

研究动机与目标

• 在垂直MIM纳米光栅中，于正入射条件下实现高品质因子（Q > 900）的四极子表面晶格共振（SLRs）。
• 克服传统结构中偶极子SLR背景对Q因子的限制。
• 通过角度依赖激发，探索SLR波长的宽带可调谐性及动态线型调控。
• 研究SLRs中带隙反转的出现，其特征为从Fano形凹陷演化为对称Lorentzian峰。

提出的方法

• 采用金-二氧化硅-金三明治结构的1D垂直MIM纳米光栅，置于二氧化硅基底上，并处于均匀介质环境（n₀ = 1.45）中。
• 通过保留301阶衍射级的全矢量严格耦合波分析（RCWA）模拟反射率、透射率及近场分布。
• 采用正入射和斜入射（θ = 0°至50°）并施加横向磁（TM）偏振以激发SLRs。
• 利用Q = λ₀/Δλ从光谱线宽中提取品质因子，并通过Fano拟合模型描述线型演化：R₀ = B + A(qγ + λ − λ₀)² / ((λ − λ₀)² + γ²)。
• 利用Rayleigh异常条件λRA,m = n₀Λ(±1 − sinθ)/m识别m = −1阶为共振调谐的主要模式。
• 通过近场电场|E|²和Poynting矢量|S|分布图验证SLRs的物理起源，揭示了四极子和偶极子模式的激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 在垂直MIM纳米光栅中，能否在正入射条件下无偶极子SLR背景地激发高Q值四极子SLRs？
• RQ2 入射角如何影响该系统中SLR的波长、品质因子和线型？
• RQ3 能否通过改变入射角实现从Fano线型到Lorentzian线型的动态调谐？这对能带结构有何含义？
• RQ4 SLRs中观察到的带隙反转效应的机制是什么？与光子晶体系统相比有何异同？

主要发现

• 在λ₀ = 979.4 nm处，于正入射条件下实现了线宽为1.0 nm、品质因子为979.4的窄带四极子SLR。
• 在斜入射（θ = 45°）条件下，激发了面外偶极子SLR，其Q值为158.4，线宽为10.6 nm，证实了在斜入射下仍保持高Q值。
• 随着入射角从0°增加到50°，SLR波长在756.3 nm范围内连续可调（从979.4 nm调至1735.7 nm）。
• 品质因子随入射角呈指数下降，遵循Q = 173 + 796.2 × exp(−0.135θ)，在所有角度下均保持在150以上。
• 共振线型动态演化为：从θ = 0°时的Fano形凹陷（q = 0.019）→ θ = 10°–15°时的凹陷/峰对（q = 1.132–2.644）→ θ = 25°时的对称Lorentzian峰（q → ∞），并在更高角度下呈现准Lorentzian峰。
• 这是首次在SLRs中实验观测到带隙反转，线型转变表明晶格共振的有效能带结构发生反转。