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基于法诺共振的全介质硫系化合物超表面高性能中红外折射率传感OA

All-dielectric chalcogenide metasurfaces based on Fano resonance for high-performance mid-infrared refractive index sensing

中文摘要英文摘要

本文提出一种基于全介质超表面的高性能中红外折射率传感器,工作波长约为 5.36 µm.超表面单元结构由四个对称分布的Sb2Se3 半椭圆结构与一个中心Sb2Se3 圆柱体周期性排列构成,以BaF2 为衬底.采用时域有限差分法进行数值模拟,获得结构的反射光谱.进一步分析共振峰处的电磁场矢量分布,并探究几何参数对光谱的影响.反射光谱中观察到的法诺共振现象通过准连续域束缚态理论予以解释.通过对几何参数进行系统性扫描,重点考察在固定谐振峰强度条件下,各结构参数对器件品质因子与半高全宽的影响规律,比较不同方向调整参数时光谱线宽的响应差异.进一步通过改变背景折射率,研究了基于法诺共振的折射率传感特性.结果表明,该传感器最高灵敏度达 1 985 nm/RIU,最大品质因子为 1 096.6,优值达 400.与现有报道的中红外折射率传感器相比,在灵敏度、品质因子及优质等关键性能上均展现出明显优势.本文研究为发展基于硫系化合物的高性能中红外光学传感器提供了有效的设计思路与性能参考.

We propose a high-performance mid-infrared refractive index sensor based on an all-dielectric metasurface,operating at a wavelength of approximately 5.36 μm.The metasurface unit consists of four sym-metrically arranged Sb2Se3 semi-elliptical structures and a central Sb2Se3 cylinder,periodically arranged on a BaF2 substrate.Numerical simulations were performed using the finite-difference time-domain(FDTD)method to obtain the reflection spectrum and to analyze the electromagnetic field vector distribution at the resonance peak,as well as the influence of geometric parameters on the spectral response.The observed Fano resonance in the reflection spectrum is explained by the theory of quasi-bound states in the continuum(Q-BIC).Through systematic parameter scanning,we investigate the influence of structural parameters on the quality factor(Q)and full width at half-maximum(FWHM)under the constraint of fixed resonance intensity,and compare the spectral linewidth responses when adjusting parameters in different directions.Furthermore,by varying the background refractive index,the refractive-index sensing characteristics based on the Fano resonance are studied.The results show that the sensor achieves a maximum sensitivity of 1 985 nm/RIU,a peak Q-factor of 1 096.6,and a figure of merit(FOM)of 400.Compared with previously reported mid-in-frared refractive index sensors,the proposed design demonstrates significant advantages in key performance metrics such as sensitivity,Q-factor,and FOM.This work provides a feasible design strategy and perform-ance reference for developing high-performance mid-infrared optical sensors based on chalcogenide com-pounds.

许诺;黄虎钧;郭万祺;姜湖;王莹莹;张培晴;沈祥;戴世勋;宋宝安

宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211||浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211宁波舜宇车载光学技术有限公司,浙江 宁波 315400宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211||浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211||浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211||浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211||宁波大学高等技术研究院,浙江 宁波 315211宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211||浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211||宁波大学高等技术研究院,浙江 宁波 315211宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211||浙江省光电探测材料与器件重点实验室,浙江 宁波 315211||浙江省先进红外光电材料与器件工程研究中心,浙江 宁波 315211

数理科学

全介质超表面折射率传感准连续域束缚态中红外硫系化合物

all-dielectric meta-surfacerefractive index sensingquasi-bound states in the continuummid-infraredchalcogenide compounds

《中国光学(中英文)》 2026 (2)

267-276,10

国家自然科学基金(No.62135011)宁波市自然科学基金(No.2024J024)Supported by National Natural Science Foundation of China(No.62135011)Ningbo Natural Science Founda-tion(No.2024J024)

10.37188/CO.2025-0158

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