金属-介电混合超表面中的强光学耦合

由混合金属/介电纳米结构组成的超表面兼具两种材料平台的优点。混合结构不仅能紧密限制亚波长电磁场，还可降低吸收损耗。此类光学特性难以在仅含金属或仅含介电结构的超材料中实现。混合设计还扩展了材料选择范围以及可在超表面中激发的光学模式类型，从而允许新颖的光与物质相互作用。本文提出一种金属-介电混合超表面设计，其由置于金属层（铝）之上、由缓冲氧化物（二氧化硅）层隔开的高折射率介电（硅）纳米盘阵列构成。调节纳米盘尺寸以支持 anapole 态，并设计纳米盘阵列周期以在金属-缓冲氧化物界面激发表面等离激元极化子（SPP）。优化硅纳米盘的物理尺寸与阵列周期，以在可见光-近红外（400-900 nm）波长范围内正入射光下激发 anapole 与 SPP。时域有限差分（FDTD）模拟表明，当纳米盘光栅置于距金属表面特定高度（~200 nm）时，两种模式在共振零失谐处强耦合。从反射光谱中观察到的模式避免交叉以及硅纳米盘内光吸收的光谱轮廓可明显看出强耦合。通过优化硅纳米盘直径与纳米盘阵列光栅周期，可实现高达约 129 meV 的真空 Rabi 分裂。所提出的超表面设计有望实现在室温下工作的开放腔强耦合光学系统。