超高Q因子的等离子体超表面

近年来对等离子体和超材料的研究使纳米光子学领域取得了令人振奋的进展。然而，由于所有金属固有的大欧姆损耗，低品质因数(Q因数)阻碍了这项技术在生物传感、光谱学和纳米激光等领域的实际应用。

在一项新的研究中，加拿大渥太华大学的研究人员将一种特殊类型的等离子超表面的Q因子极限提高到近2400，这至少是之前报道值的10倍。这项工作可能会颠覆金属等离子体纳米结构的损耗对于实际设备过大的观点。

研究人员们之前用周期性排列的纳米粒子制造了超表面，这些纳米粒子支持被称为表面晶格共振(SLRs)的光学共振。由于阵列的集体响应，基于SLR的超表面比传统的超表面具有更高的Q因子。传统的超表面是基于表现出局部表面等离子体共振(LSPRs)的单个纳米结构。

最初，研究人员们只是很好奇等离子体超表面的Q因子能有多高，他们想看看它还能有多大的改进，并着眼于未来在非线性光学领域的应用。虽然与LPR相关的Q因子通常小于10，但在基于SLR的超表面中，迄今为止实验观测到的最高Q因子为430。本研究的主要作者Saad Bin-Alam很快就得到了超过500的值，这让他感到惊讶，并促使他开始研究为什么他的Q值比其他组急剧上升。 研究人员们迭代了几个不同的设计参数，以识别过去基于SLR的超表面的局限性。他们发现，探测光源的纳米结构几何、阵列大小和空间相干性对Q因子的影响最大。最后，研究人员在通信C波段展示了一个Q因子为2340的等离子体超表面。

研究人员表示，他们报告的Q值大约是2400，是所有超表面中最高的，不管平台是什么。事实上，它是在以等离子粒子为特征的超表面获得的，这改变了传统的应该避免在光子学中使用金属的理念。 他们认为，如果采用正确的方法，Q因素还可以得到进一步改善。现在等离子体纳米结构的一个主要障碍已经被克服，研究人员预见了潜在的应用，如窄带陷波滤波器、纳米激光器和预示量子源的参数下转换。

图（a）由矩形阵列的矩形金纳米结构组成的超表面的示意图；（b）偏振光超表面透射谱的数值(FDTD)计算。在这些结果中可以观察到LSPR和SLR；（c）制备的超表面覆层沉积前的氦离子显微图像;（d）实测传输频谱(黑点)，适合半解析计算(LSA，红线)