一种基于Fano共振场增强的方形谐振环微结构光电导探测器

一种基于fano共振场增强的方形谐振环微结构光电导探测器
技术领域
1.本发明属于太赫兹技术领域，具体为一种基于fano共振场增强的方形谐振环结构光电导探测器。


背景技术：

2.fano共振最初是在原子物理中观察到的一种量子系统特征共振，1935 年，beutler首次在惰性气体吸收谱中发现了异常尖锐的吸收峰，后来，fano 第一个描述了这个在峰的一侧会出现强度极小值点的不对称线型共振，并用微扰理论对其进行了解释，后人将这个共振现象称为“fano共振”，其产生的原理：由一种离散模式高q共振模式与一种连续模式低q共振模式耦合叠加，使对称分布的窄频谱离散模式和宽频谱连续模式之间产生共振，模式间的耦合效应越强，fano共振的不对称性越显著，反之不对称性越弱，众多研究学者对其产生了浓厚兴趣，特别是自tomas young发现干涉现象以来，fano 共振一直被作为重要的基础研究对象来开展理论和实验研究，通常，一个宽频谱与一个窄频谱共振之间发生干涉，会在共振峰一侧发生干涉相消现象，另一侧发生干涉增强现象，如此形成了尖锐且不对称线型的fano共振，该fano 共振峰能产生较大局域场增强效应，自2004年pendry等人提出srr能被作为基本单元结构应用于设计超材料结构后，被广泛应用于设计各类传感器和光学器件等领域，利用金属结构分别激发一个离散态共振窄频谱高q共振模式和一个连续态共振宽频谱低q共振模式，并伴有频谱重叠和足够近的空间距离时，便可通过近场耦合作用产生fano共振，且能通过改变结构几何尺寸，以及相对空间位置来优化调控fano峰共振强度和频率位置。
3.现有技术中光电导探测器存在的缺陷是：
4.1、现有的光电导探测器在使用的时候，传统的工型天线在使用的时候，单带探测器所能够实现的探测灵敏度具有一定的限制，且无法实现更高精确的探测，同时双带探测具有同样的探测灵敏度效果较差的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于fano共振场增强的方形谐振环结构光电导探测器，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于fano共振场增强的方形谐振环微结构光电导探测器，所述该耦合天线结构可以通过耦合简谐振子模型描述，其中工型天线结构支持低q的共振模式1，方型srr结构支持高q的共振模式2。
7.优选的，在入射电磁波作用下，工型天线结构和srr结构组合的两模式耦合振子动力学问题可描述为：
[0008][0009]
优选的，所述x1、x2分别表示两个谐振子的位移，对应于工型天线结构和srr结构
中的共振模式幅度。
[0010]
优选的，所述ν
12
是工型天线结构与srr结构之间的耦合系数，γ1和γ2表示两个振子的阻尼系数和能量损耗系数，ω1和ω2分别表示工型天线结构和srr 两个振子在没有阻尼时的谐振频率的固有频率，a1和a2是入射电磁波振幅，ω是入射电磁波频率，j是虚数单位。
[0011]
优选的，为了研究两模式耦合谐振子振幅的稳态变化，假定两谐振子以时谐场形式变化，等式可以表示为：优选的，所述两个结构振子对入射太赫兹波耦合作用后，获得其随入射太赫兹波频率变化的共振振幅表达式为：
[0012][0013][0014]
优选的，两个耦合结构振子的固有频率相近，srr结构振子的阻尼系数γ 2很小时，可设定参数：f1＝0.7thz，ω1＝2πf1，γ1＝0.05ω1，f2＝0.65thz，ω2＝2πf2，γ2＝0.0012ω2，ν12＝0.2ω2，a1＝a2＝1，振子幅值|c1|和|c2| 随入射太赫兹波频率变化的振幅谱如两模式耦合振子的振幅频谱图所示。
[0015]
优选的，所述为进一步明确两个模式相互耦合作用产生fano共振的场增强机制，我们对耦合天线结构设置探测点在工型天线结构间隙处，监测了随入射太赫兹波频率变化时出现的fano共振谷到fano共振峰局域场分布变化情况，并画出了fano共振谷和共振峰频率处在xy平面内相应的电场能量分布如电场分布情况图所示。
[0016]
优选的，所述电场分布情况图给出了模式1和模式2发生相干耦合效应产生的fano共振谷和fano共振峰的局域电场分布变化情况；
[0017]
所述电场分布情况图可知，出现的fano共振谷频率处对应电场能量主要局域在方型srr开口间隙和两模式耦合间隙内，探测点处的局域场增强非常弱；频率从fano共振谷位置变化到如电场分布情况图bfano共振峰频率位置时，由于模式1和模式2的相干耦合效应，使原来处于srr型间隙和两模式耦合间隙内的能量发生转移并逐渐被局域在工型天线开口间隙处，这表明入射太赫兹波与两模式耦合天线结构作用后，使能量最终被转移并储存在这个工型天线结构间隙处而形成了fano共振峰。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019]
1、本发明提出了基于fano共振的耦合谐振结构天线，实现了低频段具有太赫兹选频探测性能的高灵敏光电导探测器，提出了两模式耦合结构天线，构建了两模式耦合谐振子模型并研究了fano共振场增强机制，分析了两模式耦合结构参数对fano共振峰强度与频率的影响；进一步提出了三模式耦合结构天线，构建了三模式耦合谐振子模型并研究了单、双fano共振峰的产生条件及场增强机制，对比发现三模式单fano共振峰增强优于两模式，且向高频移动，然后分析了三模式耦合结构参数对fano共振峰强度与频率的影响；优化设计与仿真分析获得了低频段0.1-0.8thz峰值频率可设计的单、双带高灵敏光电导探测器，
结果表明：对比传统工型天线，在0.172thz和0.193thz 频率处，两模式和三模式耦合微结构光电导天线实现的单带探测灵敏度最大分别提高了17.9倍和33.1倍；三模式耦合结构光电导天线还实现了在 0.355thz，0.756thz处的双带探测，探测灵敏度分别提高了12.5倍和13.3 倍。
附图说明
[0020]
图1为本发明的两模式耦合天线微结构示意图；
[0021]
图2为本发明的两模式耦合天线平面示意图；
[0022]
图3为本发明的两模式耦合振子的振幅频谱示意图；
[0023]
图4为本发明的电场分布情况示意图；
[0024]
图5为本发明的耦合天线微结构仿真模拟物理参数示意图；
[0025]
图6为本发明的时域光电流的比较示意图；
[0026]
图7为本发明的频域光电流的比较示意图；
[0027]
图8为本发明的两模式耦合天线微结构的不同lr尺寸下的太赫兹探测频域图示意图。
具体实施方式
[0028]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0030]
请参阅图1、图2和图3，本发明提供一种实施例：一种基于fano共振场增强的方形谐振环微结构光电导探测器；
[0031]
所述该耦合天线微结构可以通过耦合简谐振子模型描述，其中工型天线结构支持低q的共振模式1，方型srr结构支持高q的共振模式2，在入射电磁波作用下，工型天线结构和srr结构组合的两模式耦合振子动力学问题可描述为：
[0032]
x1、x2分别表示两个谐振子的位移，对应于工型天线结构和srr结构中的共振模式幅度，ν
12
是工型天线结构与srr结构之间的耦合系数，γ1和γ2表示两个振子的阻尼系数和能量损耗系数，ω1和ω2分别表示工型天线结构和srr两个振子在没有阻尼时的谐振频率固有频率，a1和a2是入射电磁波振幅，ω是入射电磁波频率，j是虚数单位，为了研究两模式耦合谐振子振幅的稳态变化，假定两谐振子以时谐场形式变化，等式可以表示为：
两个结构振子对入射太赫兹波耦合作用后，获得其随入射太赫兹波频率变化的共振振幅表达式为：
[0033][0034]
两个耦合结构振子的固有频率相近， srr结构振子的阻尼系数γ2很小时，可设定参数：f1＝0.7thz，ω1＝2πf1，γ1＝0.05ω1，f2＝0.65thz，ω2＝2πf2，γ2＝0.0012ω2，ν12＝0.2ω2， a1＝a2＝1，振子幅值|c1|和|c2|随入射太赫兹波频率变化的振幅谱如两模式耦合振子的振幅频谱图所示。
[0035]
请参阅图4、图5、图6和图7，本发明提供一种实施例：一种基于fano 共振场增强的方形谐振环微结构光电导探测器；
[0036]
所述为进一步明确两个模式相互耦合作用产生fano共振的场增强机制，我们对耦合天线结构设置探测点在工型天线结构间隙处，监测了随入射太赫兹波频率变化时出现的fano共振谷到fano共振峰局域场分布变化情况，并画出了fano共振谷和共振峰频率处在xy平面内相应的电场能量分布如电场分布情况图所示，电场分布情况图给出了模式1和模式2发生相干耦合效应产生的fano共振谷和fano共振峰的局域电场分布变化情况，电场分布情况图可知，出现的fano共振谷频率处对应电场能量主要局域在方型srr开口间隙和两模式耦合间隙内，探测点处的局域场增强非常弱；频率从fano共振谷位置变化到如电场分布情况图bfano共振峰频率位置时，由于模式1和模式2 的相干耦合效应，使原来处于srr型间隙和两模式耦合间隙内的能量发生转移并逐渐被局域在工型天线开口间隙处，这表明入射太赫兹波与两模式耦合天线结构作用后，使能量最终被转移并储存在这个工型天线结构间隙处而形成了fano共振峰，在分析了两模式和三模式耦合天线结构的fano共振局域场增强因子相关特性后，进一步我们分别仿真模拟如两模式耦合天线结构图所示天线结构的光电响应，故我们将利用thz波在前述耦合天线结构中fano 共振局域场增强的特性来提高光电导天线选频探测的灵敏度，在保证其余条件相同情况下，将另外一束波长800nm的飞秒激光从空气端垂直入射到天线结构表面，激励在工型天线的开口间隙处，则在gaas基底中产生电子-空穴对，电子-空穴对在入射thz波的作用下，探测到被增强后的光电流，根据耦合天线微结构仿真模拟物理参数图中设定相关物理参数，我们通过自主开发的数值模拟软件，首先选取srr臂长为lr＝70μm的两模式耦合天线结构进行仿真模拟，仿真详细结构参数如下：ld1＝100μm，ld2＝5μm，d＝5μm，l3＝0 μm，w1＝5μm，w2＝10μm，l＝20μm，l1＝l2＝lr＝70μm，d＝5μm，同时，为了评价所设计的光电导天线结构提高太赫兹探测灵敏度以及选频性能，我们也对相同开口间隙宽度ld2和臂长ld1的工型光电导天线太赫兹探测特性进行模拟，结构参数如下：ld1＝100μm，ld2＝5μm，l＝20μm，w1＝5μm，w2＝10μm，耦合天线和工型天线结构的激光激励面积均为dx
×
dy，其中dx＝5μm，dy＝5 μm，相应的探测光电流的时域、频率及对比结果如时域光电流的比较图和频域光电流比较图所示，从时域光电流的比较图和频域光电流比较图可以清楚地看到两模式耦合天线结构中模式1和模式2之间的耦合作用在光电响应中发挥了增强效应，时域光电流的比较图时域信号图可知，由于结构的谐振特性，thz波能被存储在结构中，以泄漏的形式衰减，在耦合微带型光电导天线结构中，局域thz波
电场具有长的弛豫时间，这个时间长度与结构的共振q 值有关，结构共振q值越大，光子寿命越长，电场衰减的弛豫时间也越长，频域光电流比较图频域信号可知，工型光电导天线太赫兹探测峰值强度为 238.0a.u.，探测峰值频率为0.609thz，两模式耦合天线结构的共振频率为0.219thz，太赫兹信号检测强度为4096.1180a.u.，对比工型光电导天线太赫兹探测强度提高了约17.2倍，有效增强了探测灵敏度，且探测峰值频率明显向低频方向偏移。
[0037]
请参阅图8，本发明提供一种实施例：一种基于fano共振场增强的方形谐振环微结构光电导探测器；
[0038]
所述为了进一步说明所设计两模式耦合天线结构的高灵敏度选频探测性能，将srr臂长l1＝l2＝lr作为唯一变化量、其余参数保持不变，分别取两模式耦合天线结构的臂长lr＝30μm，50μm，90μm，以获得不同lr对应的太赫兹探测谐振频率以及灵敏度增强变化规律，仿真结果如两模式耦合天线微结构的不同lr尺寸下的太赫兹探测频域图所示，仿真结果表明：两模式耦合结构光电导天线srr臂长lr＝30μm时，太赫兹探测谐振频率为0.538thz，探测强度为1300.9130a.u.；lr＝50μm时，太赫兹探测谐振频率为0.304thz，探测强度为3720.6329a.u.；lr＝90μm时，太赫兹探测谐振频率为0.172thz，探测强度为4258.5731a.u.；对比工型结构的光电导天线，探测强度分别提高了约5.5倍，15.6倍，17.9倍，有效增强了探测灵敏度，峰值频率明显向低频移动。
[0039]
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，本发明提供一种实施例：一种基于fano共振场增强的方形谐振环结构光电导探测器；
[0040]
综上所述，为了实现光电导天线的选频探测性能，提高选定频率处的太赫兹探测灵敏度，将单个srr与工型天线结构相结合形成两模式耦合微结构的光电导天线，采用自主开发的光电导天线太赫兹探测模拟软件，获得了fano 共振局域场增强后的太赫兹时域和频率信号，并研究了不同srr臂长对太赫兹探测灵敏度和选频特性的影响，结果表明：srr加载到工型天线结构形成的两模式耦合结构光电导天线，对比工型光电导天线可以显著提高太赫兹探测光电流强度，最大提高了17.9倍，有效增强了探测灵敏度，而且通过改变srr 臂长，可在提高太赫兹信号探测灵敏度的同时实现选频性能。
[0041]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。