银纳米粒子阵列中衍射诱导高品质因子的四偶极晶格等离子体模式

金属纳米颗粒阵列中形成的四偶极晶格共振模式具有低辐射损耗、高品质因子的特性,因此广泛应用于纳米激光、传感、固态照明等领域.基于时域有限差分法在均匀环境下研究了银纳米圆柱阵列的光谱与近场特性.研究结果表明,在x偏振光直入射下,通过调节阵列x方向的周期,共振强度先增加后降低,当两个方向上的周期相等时,提出的阵列结构能够产生一个线宽约0.4 nm、品质因子高达1815的四偶极晶格共振模式,这种共振模式呈现出Fano线型的透射谷;调控y方向的周期能够实现从Fano线型的透射峰到透射谷的转变.本文说明了粒子大小、晶格周期对四偶极晶格共振模式的重要性,同时为银纳米颗粒在可见光波段设计高品质因子共振提供了优化策略.     

反射型光变色超表面滤光结构

提出了一种反射型超表面滤光结构,该滤光结构由基底、低折射率纳米光栅、Ag光栅、SiNx高折射率介质层组成.理论模拟结果表明:45°入射角下,在垂直于光栅栅线的入射平面内,反射谱峰值出现在475 nm波长处;在平行于光栅栅线的入射平面内,反射谱峰值出现在550 nm波长处.其电场分布特性表明,在不同的平面内TE偏振入射光激发的导模共振区域不同,TM偏振下激发的导膜共振强度与表面等离子体共振强度不同,导致该结构在垂直于光栅栅线方向与平行于光栅栅线方向的两个平面内表现出两种截然不同的颜色.基于此制备的超表面结构样品不但光变色效果明显,且易于与纳米压印工艺相结合实现大幅面光变色结构制备,在防伪和图案信息编码等领域有广阔的应用前景.     

基于Ag纳米棒阵列的表面等离激元微型偏振器

采用静电近似理论计算了Ag纳米棒阵列在不同偏振光入射下的消光光谱。当入射光偏振方向平行于纳米棒长轴时会激发表面等离激元纵向振动模式,而当入射光偏振方向垂直于纳米棒长轴时会激发表面等离激元横向振动模式。基于两种模式共振波长的不同,采用Ag纳米棒阵列可以用来设计高性能的表面等离激元微型偏振器。Ag纳米棒阵列的偏振性能在纵向共振波长明显优于在横向共振波长,通过调节纳米棒的纵横比可以对纵向模式的共振峰位进行大范围调控。结果表明这种微型偏振器所适用的波长能够通过纳米棒的纵横比在可见到近红外波段范围内调控,而消光比和插入损耗能够通过纳米棒的直径和长度实现调控。     

级联亚波长平面介质栅偏振分束器研究

提出了一种纳米厚度金属层连接的级联亚波长平面介质光栅三明治结构,利用该结构中纳米金属连接层上下界面处的表面等离子共振的互作用形成多波长共振的特点设计了适用于光通信波段（1 300～1 600nm）高性能的宽带偏振器和宽带偏振分束器。利用严格耦合波理论分析发现偏振分束器带宽主要由金属连接层厚度控制,光栅厚度基本不影响偏振分束器带宽,只影响共振深度和共振波长。该结论为后续的制备提供了理论指导和借鉴作用。     

银纳米颗粒及阵列光传输性质的理论研究

纳米颗粒及其阵列结构的光学性能与颗粒本身的表面等离子体共振及周期结构参数密切相关.本文根据Mie散射理论和多极子振荡理论,研究了光在银球型纳米颗粒及阵列中的传输性质.对于单个纳米颗粒,当颗粒半径小于50 nm时,消光峰由电偶极子共振产生;当半径大于50 nm时,除电偶极子振荡产生的消光峰外,在短波处将出现由电四极子共振产生的消光峰,且两种极子的共振频率随颗粒半径的增加而减小.由电偶极子共振产生的消光峰位置的理论计算结果与实验结果相符合.对于由球形颗粒组成的无限大二维周期阵列,消光峰主要由单个颗粒产生的消光峰和Wood-Rayleigh反常衍射造成的消光峰组成.通过控制纳米颗粒的尺寸、形状以及阵列的周期、排列方式,可以调节两种极子的共振峰位.本文的结果将对设计具有特定光学性能的纳米结构产生重要的实际意义.     

矩形纳米狭缝超表面结构的近场增强聚焦调控

为了实现对入射光的近场亚波长增强聚焦,设计了一种由内部矩形纳米狭缝圆环阵列和外部多圆环狭缝构成的超表面结构,得到了该结构激发的表面等离激元电场表达式,并从物理机理上解释了该结构中心聚焦及增强聚焦的原理.利用时域有限差分方法仿真研究了该超表面结构在不同偏振态入射光下的激发场聚焦特性.根据理论推导与仿真结果可得,该结构在波长为980 nm的圆偏振光入射下于近场的金属表面结构中心处生成半高宽为650 nm左右的亚波长聚焦光斑,其场分布为近似的第一类贝塞尔函数.与单一的矩形纳米狭缝圆环阵列结构相比,带有外部多圆环狭缝的复合结构具有更好的增强聚焦效果,使得中心焦斑强度提升了一倍,且更有利于对激发场进行调控.除此之外,还讨论了任意偏振方向的线偏振光入射结构激发的电场,得到了电场的解析表达式,即入射光偏振角的正弦函数包络乘上第一类贝塞尔函数.本文的研究对基于超表面结构的亚波长光调控有一定的指导意义,在光镊、亚波长尺度光信息传输与处理等领域也有一定的应用价值.     

铝基银纳米阵列制备及其紫外-可见-近红外光吸收特性

基于阳极氧化铝模板,采用真空蒸镀技术,制备了高度有序的周期性银纳米球阵列.阵列几何结构参数调控实验发现,通过控制蒸镀厚度,可实现对阵列中银纳米球尺寸(直径)和间距的有效调控,进而有效实现对紫外-可见-近红外各波段吸收峰位和峰宽的调制.吸收光谱测试显示,该纳米阵列在紫外、可见和近红外波段都具有明显的电磁波吸收特性.时域有限差分理论模拟结合实验分析不同波段光吸收特性的物理机制,紫外超窄强吸收为银、铝介电环境非对称诱发的法诺共振,可见波段吸收源自于银纳米粒子局域表面等离子体共振,近红外波段强吸收为银纳米球阵列表面晶格共振所激发.     

基于纳米孔阵列增透膜的光伏器件特性分析及实验研究

利用严格耦合波理论分析了纳米孔阵列薄膜的光学特性,提出将纳米孔阵列薄膜作为光伏器件 增透膜来提高器件的光吸收和转换效率.理论分析表明:纳米孔阵列薄膜比单层增透膜有更好的增透效果, 能够更好地提高光伏器件的转换效率,在400 nm-600 nm波段尤为显著.纳米孔阵列薄膜的最优结构参数: 周期为500 nm,填充率为0.2,厚度为110 nm.采用微纳加工技术,在Φ 200 μm Si 探测器的增透膜上制作了不同周期的纳米孔阵列,并搭建了相应的测试系统.实验结果表明: 周期为500 nm时器件的性能提高最为明显,短路电流在400 nm-1100 nm波段提高约为6%, 在400 nm-600 nm波段提高约为15%;开路电压提高约为2%.纳米孔阵列薄膜能够很好地提高光伏器件 的转换效率.     

宽波段纳米超材料太阳能吸收器的设计及其吸收特性

在纳米偶极子等效电路的基础上,结合多层波导与谐振腔结构,设计了一种高吸收率、宽波段的纳米超材料太阳能吸收器。该吸收器的单元结构是由双六边形超材料纳米柱与Si圆环柱组成,其中Si圆环中镶嵌了8个微型Au纳米圆柱。采用时域有限差分方法分析了纳米超材料吸收器在宽波段、不同偏振状态的入射光以及大角度入射光下的吸收特性。数值分析表明,该吸收器的吸收波段主要集中在400~1500nm,其平均吸收率可以达到94%。不同偏振状态的入射光对吸收器的吸收率影响较小,且在±60°大入射角度时该吸收器的平均吸收率仍可达到90%。该吸收器宽波段的高吸收率是由慢波效应与局域表面等离子体共振的共同作用引起的。     

方体及环/盘阵列结构的表面等离子体共振特性研究

局域表面等离激元共振是金属纳米粒子表面的自由电子在光子作用下发生集体震荡而产生的一种共振现象。提出了一种方体及环/盘阵列结构,该结构主要由左侧单圆环和右侧方体及偏心圆环盘组成。利用时域有限差分算法(FDTD solutions)对该结构进行了光学性质的探究。仿真结果表明,当线性偏振光入射到金属表面时,在结构中激发局域表面等离子体共振现象,表现出明显的共振效应,在600～1 700 nm范围形成了不同位置的共振谷。通过对结构电场电荷仿真图的对比分析,发现共振谷是由圆环内所激发的偶极共振模式与方体及环/盘激发的四偶极共振模式相互耦合杂化产生的混合等离子共振而形成的。当调整金属结构的各项参数时,金属纳米颗粒之间的局域表面等离激元共振会因电场耦合效应发生改变,因此法诺共振的产生对于金属结构的各项参数有着极大的依赖性(如左圆环直径L、右圆环直径R,结构高度H,左圆环到方体的距离D等),通过对结构各项参数的改变,可以实现对结构共振谷波长位置和共振强度的有效调控,达到对结构光学性质可控的目的。由于该结构具有独特的非对称性,进一步探究了入射光源偏振方向(即电矢量与x轴的夹角)对结构的共振谷波长位置以及共振强度的影响。结果表明,随着光源偏振角度的增加,共振谷J2处的波长位置出现明显的红移现象。但当偏振角度为90°时,共振谷J3处不能产生法诺共振现象。由此,可以通过改变光源的偏振方向来实现对该结构的光谱的共振强度及共振波长位置的调控。更为重要的是,该结构对周围的环境折射率有着较高的敏感度,最高可达755 nm·RIU~(-1),传感的品质因数(figure of merit,FOM)为18.4,该结构在环境折射率等生物传感器及微纳光子器件方面有着潜在的应用前景。     

飞秒激光在6H SiC晶体表面制备纳米微结构

激光诱导周期性纳米微结构在多种材料包括电介质、半导体、金属和聚合物中观察到。研究了800nm和400nm飞秒激光垂直聚焦于6H SiC晶体表面制备纳米微结构。实验观察到800nm和400nm线偏光照射样品表面分别得到周期为150nm和80nm的干涉条纹,800nm圆偏振激光单独照射样品表面得到粒径约100nm的纳米颗粒。偏振相互垂直的800nm和400nm激光同时照射晶体得到粒径约100nm的纳米颗粒阵列,该纳米阵列的方向随400nm激光强度增加而向400nm偏振方向偏转。利用二次谐波的观点对以上纳米结构的形成给出了解释。     

椭圆金环结构的太赫兹透射增强

利用太赫兹时域光谱系统,测量了3种在硅衬底上淀积厚度为100nm金膜的椭圆环阵列结构后,并且分析了各样品在太赫兹波段的透射增强现象及产生机理.结果表明:在整个太赫兹波段,此组结构样品的透射系数均在0.68以上,产生明显的透射增强;当太赫兹波的偏振方向与椭圆环长轴之间的夹角为90°时,3个样品在1.67THz处的共振峰是由于短轴方向的电子形成偶极子振荡与入射太赫兹波进行耦合产生的;夹角为0°时,周期阵列样品无明显共振峰,而分形阵列样品的共振峰则不如斑图阵列样品的明显;样品结构的对称性越差,透射谱的信息越丰富.此外,分析相位差谱也验证了共振增强透射的存在.     

金和银纳米粒子二维周期阵列的光学性质

本文利用离散点偶极子近似方法(DDA)研究了金和银纳米粒子二维周期阵列的光学性质。研究结果表明二维周期阵列的消光性质及其表面等离子共振(SPR)波长受到阵列内粒子组成材料、粒子形状尺寸、阵列周期和阵列排布方式等因素的影响。对于二维正方阵列,当周期较小时(一般小于300 nm),阵列的共振波长主要取决于粒子组成材料和形状尺寸;当周期与阵列单体的共振波长附近时,阵列的消光谱中会出现极窄且锐的SPR共振峰,峰位只与阵列的周期值相关。改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向的周期,可以方便地调节二维长方阵列的共振峰的峰位和峰宽。     

一种高通量宽带近红外声光可调滤光器的设计

声光可调滤光器(AOTF)是20世纪90年代以来近红外光谱仪最突出的进展,传统的单换能器结构使滤光器存在工作带宽较窄的问题。本文采用双换能器结构设计了一种高通量、宽带宽的近红外声光可调滤光器,基于“切面平行条件”波矢量布局方案,通过仿真计算确定声光晶体最优切向切角及换能器长度等最佳参数。两段换能器分别工作于两个不同的波段范围,使得滤光器的工作波段范围在光谱分辨率、衍射效率等参数满足要求的前提下大为改善。测试结果表明,设计的滤光器在900～2 400 nm波段范围内分辨率优于15 nm,衍射效率最高可到41%。     

太赫兹波段金属阵列结构的透射及反射宽谱偏振特性

基于计算机仿真技术(CST)软件对二维金属光栅阵列在0.1~10THz波段的偏振特性进行了数值分析,利用光刻和金属薄膜工艺在500μm厚的高阻硅衬底上沉积了20nm厚的不同结构周期的金属铜光栅阵列,利用傅里叶变换光谱仪测量了该光栅阵列的透射及反射特性。结果表明:在太赫兹宽谱范围内,该光栅阵列的透射和反射都具有良好的偏振特性,且偏振特性范围可通过调整结构周期进行调节;该研究对太赫兹偏振器的进一步研究及应用提供了参考。     

金属纳米颗粒光学性质的离散偶极近似计算

采用离散偶极子近似(DDA)方法,研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。研究结果发现,单体银纳米粒子的表面等离子体共振消光峰的位置随着周围介质折射率和粒子尺寸的增大逐渐红移,并且消光光谱的峰宽也越来越大。当银纳米粒子正方阵列的周期接近单体的共振波长时,阵列的消光光谱中会出现尖锐的共振峰,改变粒子尺寸的大小可以发现消光光谱中共振峰的峰值和位置有大幅度地改变,通过改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向上的周期,可以调节二维长方阵列共振峰的峰宽和峰位。该研究为纳米粒子在光学显微镜、生物传感元件、数据存储等领域中的应用提供有效地理论参考。     

Au/Ag纳米颗粒的成像技术与应用

基于10 nm尺度图形加工技术,通过改变金属纳米结构的大小和形貌,利用金属纳米结构的表面等离子体共振性能开发出SEM纳米彩色图片制作技术,使得图形的像素在60 nm尺度可控(约100万dpi)。利用图像处理技术可以快速生成加工版图,而通过电子束曝光和沉积技术则能够得到结构不同的Au/Ag纳米颗粒。结果表明:由于结构不同的Au/Ag纳米颗粒的表面等离子体共振性能不同,使其发光性能覆盖了可见光波段。本文通过改变Au/Ag纳米颗粒的大小,利用图像处理算法对不同大小的Au/Ag纳米颗粒进行排列组合,从而得到SEM纳米彩色图片。     

可调谐型金属线栅偏振器的特性研究

金属线栅偏振器是一种新兴的基于微纳结构的光学偏振器件, 体积小、性能高、易集成.但在紫外和可见光波段, 通过缩小线栅的特征尺寸来提高消光比的方法已经受到纳米制作工艺的限制, 因此需要新的结构来提高其偏振特性.双层金属线栅结构仅在特定波段上提高 器件的偏振特性. 在此基础上, 提出一种间距可调谐的金属线栅偏振器结构, 通过调谐两层金属线栅之间的距离来确保偏振器极高的消光比和很强的透过率. 利用VirtualLab软件的傅里叶模式方法, 计算了可调谐型金属线栅偏振的透过率和消光比. 数值仿真结果表明, 双层可调谐型金属线栅结构在整个紫外、 可见光波段极大地提高了透射光的消光比和透过率. 关键词： 线栅偏振器 可调谐结构 消光比 压电陶瓷     

环形狭缝腔阵列光学特性的研究

设计了一种六角密排的二维环形纳米腔阵列结构, 利用时域有限差分算法对该结构的光学特性进行了探究. 仿真结果表明, 在线性偏振光入射时, 环形腔内可以形成多重圆柱形表面等离激元谐振, 谐振波长的个数和大小与环形腔的结构参数相关. 根据透、反射光谱, 电场矢量的模式分布及截面电荷密度的分布, 谐振波长处形成圆柱形表面等离激元, 谐振波长处入射光能量大部分在环形腔内损耗, 此时反射率为极小值, 环形腔内的电场增强效应为极大值(光强增强可达1065倍). 谐振波长与环形腔的结构参数(狭缝内径、狭缝外径、膜厚、环境介质折射率、金属的材质)相关, 通过调节结构参数, 谐振波长在350–2000 nm范围内可调. 通过对比相同结构参数的单个环形腔和环形腔阵列的仿真结果, 周期排布对环形腔内的圆柱形表面等离激元吸收峰位置影响不明显. 该结构反射光谱对入射光电矢量偏振方向不敏感. 谐振波长的可调控性对于表面拉曼增强和表面等离激元共振传感器的设计与优化具有指导性意义, 且应用于折射率传感器时灵敏度可达1850 nm/RIU.     

金属粒子阵列共振的偏振特性

当金属纳米粒子形成规则分布且阵列周期与单粒子的共振波长近似匹配时, 会形成一种特殊的阵列共振, 这种共振比单粒子的局域表面等离子体共振具有更窄的共振线宽和更高的共振强度. 基于修正的长波近似方法, 讨论了矩形阵列的消光截面与阵列因子和单粒子的极化率之间的关系; 并详细研究了在不同偏振的入射光照射下, 阵列因子随着电偶极子方向的改变而产生的变化, 以及这一效应对阵列共振和消光截面所产生的影响. 结果表明, 大型的方阵是偏振无关的; 在矩形阵列中, 沿着阵列两个轴向的相邻粒子之间的耦合形成了阵列因子的两个极值, 并且分别对应了散射截面的最小值.