用于增强光子上转换的双层超表面

我们提出了一种双层介电超表面，由周期相同的硅纳米盘阵列与硅光子晶体平板相互堆叠而成。我们聚焦于该超表面在共振激发下产生的电近场增强效应，并从数值与实验两方面研究其光学性质。我们发现，与传统单层结构相比，多层超表面的主要差异体现在瑞利-伍德异常(Rayleigh-Wood anomalies)上：它们分裂为多个不同模式，且这些模式自身在光谱上展宽。作为概念验证，我们用镧系掺杂上转换粒子层覆盖双层超表面，并研究其与 1550 nm 光激发的相互作用。我们观察到，使用堆叠超表面替代平面衬底，上转换光致发光增强了 2.7 倍，尽管仅有约 1% 的上转换材料暴露于增强近场中。我们识别出解释该行为的两种机制：第一，共振激发超表面时的增强近场；第二，当超表面将光重定向至大角度衍射级时，粒子层内由全内反射导致的光捕获。这些结果为未来太阳能与生物传感应用中的低阈值、特别是宽带光子上转换铺平了道路。