金微纳阵列表面等离激元中红外波段光谱特性

表面等离激元是金属表面自由电子在入射光激发下产生的电子集体振荡行为及其相应的电磁场分布。目前，金微纳颗粒表面等离激元除了在可见光波段内被大量研究和应用外，在中红外波段内也显示出独特的光谱特性，具备设计生产优良传感器的潜力，因而同样备受瞩目。研究表明，在中红外波段内设计表面等离激元传感器的关键问题在于如何有效地调节共振谱的共振波长、峰值吸收率以及半峰宽等主要特征参数。相比于单个微纳颗粒而言，阵列结构由于拥有良好的周期性，从而能够在上述参数的宽光谱调节方面具有独特的优势。基于此，提出一种基于金微纳颗粒组成的阵列结构，利用时域有限差分方法，在4～18 μm波段范围内，通过分别改变该阵列的结构参数，包括颗粒半径、高度、间距及颗粒形状等，系统地研究了该微纳阵列结构在中红外波段对入射光的反射光谱、透射光谱和吸收光谱等特性的影响。研究发现，在8～10 μm光谱内，入射光能够与其所激发的金微纳阵列表面等离激元产生共振效应，表现出明显的共振峰特性。可以通过分别改变上述结构参数来有效调节吸收率谱线共振峰的共振波长、峰值吸收率和半峰宽等主要特征参数。研究结果对中红外光谱内基于金微纳阵列结构传感器的科学研究和实际设计具有独特的理论应用价值。     

基于LiF和NaF的超宽带红外吸收器

设计了一种基于LiF和NaF材料的光栅型超宽带红外吸收器,并采用频域有限差分法对其吸收特性进行了研究。研究结果表明,单独采用LiF(或NaF)和电介质材料构成的光栅型吸收器都具有较宽的吸收带,但其吸收带处于不同的红外波段。同时采用LiF、NaF及电介质材料构成的光栅型吸收器可以把这两个吸收带衔接起来。通过优化参数,在入射波长为15~45μm、入射角度为0°~80°的范围内,吸收器的吸收率达到80%以上,实现了宽带吸收。结构中复合层的层数对吸收率有最大的影响,电介质层的厚度对吸收率的影响较小。     

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.     

用于红外探测器的高红外吸收率结构研究进展

高红外吸收是实现高灵敏度红外探测器的一个重要途径。探测器的响应率与热吸收率紧密相关。高红外吸收将提升红外探测器的探测性能。鉴于高吸收率的重要性,对国内外研究中典型的高红外吸收结构的研究进展进行介绍。目前典型新型高吸收结构有基于新型材料(如超材料)的高吸收结构和基于金属光栅高吸收结构。研究表明这些结构在某些波段可实现近100%的完美吸收,是发展高灵敏探测器的新途径。     

提高红外微测辐射热计光谱吸收率的金属光栅结构研究

为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率,设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构,研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。以金作为光栅材料,利用等离激元的谐振结构,克服金属材料的高反射特性,增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。通过改变光栅的结构参数,对等离子共振波长进行调节,提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。利用有限差分法,分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理,研究金属光栅的周期、占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。随着光栅周期由2μm逐渐增加到5μm,吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象,吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5,红外吸收峰的峰值波长向短波长移动,吸收峰高度也逐渐增高,但吸收峰宽度逐渐变窄。光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大,当厚度达到一定程度后,峰值基本保持不变。峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小,当厚度不足100 nm时,峰值波长减小的程度较大,随着厚度的继续增加,下降趋势逐渐变缓,基本维持在10.6μm附近。通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理,对光栅结构参数的进一步优化,大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14μm的平均吸收率达61.6%,峰值吸收率在99%以上。金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究,对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。     

基模磁激元诱导的多带完美吸收

本文提出一种方向不敏感多带吸收的新结构,即结合光学声子色散材料及无色散介电材料,将其作为单一尺寸金属/介质/金属微光栅的介质分离层。在红外大气窗口波段激发了基模磁激元谐振因此导致多频带吸收。基于有限元方法求解了混合结构的吸收率及电磁场分布,并研究了入射角及结构参数的变化对多峰值吸收的影响。考虑到磁激元的本质是由金属光栅下表面与金属基底上表面诱导出反向电流震荡引起,多层介质膜起到介电隔离层的作用。对多层介质膜进行等效介质理论近似,并通过等效LC电路预测和分析了基模磁激元谐振频点。本文所提出的多带吸收机理在红外探测、辐射制冷领等域具有应用前景。     

基于电阻膜与分形频率选择表面的超薄宽频带超材料吸波体的设计

设计了一种基于一阶Minkowski分形双方环(Minkowski fractal double square loop, MFDSL)电谐振器结构与电阻膜复合的超薄、 宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体. 该吸波体的基本结构单元由MFDSL电谐振器结构、方块电阻膜、电介质基板和金属背板组成. 采用时域有限差分算法对这种复合结构吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的反射率和吸收率表明: 该吸波体在7.5-42 GHz之间对入射电磁波具有大于90%以上的强吸收特性. 模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性. 进一步的数值模拟结果表明, 该复合结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电磁谐振和电路谐振机制, 通过方块电阻的设计可以实现工作频率范围的调节. 关键词： 电阻膜 分形频率选择表面 宽频带吸收     

ZnO/ZnSe Ⅱ型同轴纳米线光学性质的模拟研究

利用有限时域差分方法研究了纳米线直径、阵列周期和AZO衬底对ZnO/ZnSe同轴纳米线阵列光学性质的影响,并通过二维光学模式分析阐明了光吸收的物理机制.模拟结果表明:衬底对吸收增强的程度有限且较弱;适中的填充因子将更有利于ZnO/ZnSe纳米线阵列的光吸收;较大直径的纳米线阵列可以支持更多模式的光传播,吸收率可显著增强.而决定此异质结阵列在带隙以上吸收率的物理机制为短波长波段的周期性阵列的衍射效应及长波长波段与传导模相关的单根纳米线尺寸效应.     

W/VO2周期性纳米盘阵列可调中红外宽频吸收器

为了实现对3～5μm中红外光的完美吸收,仿真设计了一种基于W/VO2周期性纳米盘阵列的可调中红外宽频吸收器,利用时域有限差分法模拟计算了结构参数对吸收器性能的影响.在最佳结构参数条件下,吸收器表现出偏振无关和广角吸收的特性,在3.1～3.6μm范围内吸收率达99%以上,峰值吸收率为99.99%.低温时入射光的磁场被束缚在各单元VO2介质层的中心并得到完美吸收;高温时VO2发生相变表现为金属相,抑制吸收,高低温的吸收率差值可达78.8%.该吸收器有效弥补了传统吸收器吸收频带窄、吸收率不可调的缺陷,对中红外光电器件的应用有参考价值.     

纳米多孔氮化铌薄膜红外宽带光响应特性

具有超导绝缘相变特性的纳米多孔超导薄膜在红外光电探测领域有着潜在的应用价值,而其在红外波段的宽带光响应特性研究目前尚未见报道.为此,本文以纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜为主要对象,研究了其在780—5000nm的近、中红外波长范围内的光响应特性.首先,采用Drude模型拟合的方法,不仅将对实验数据拟合的精度提高了约17%,而且得到了中红外波段的NbN光学参数;进而,采用时域有限差分法分析了加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件的光响应特性,并给出了能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型,从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维;最后,基于等效模型和传输矩阵法,对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件在近、中红外波段内的光吸收特性进行了优化设计.结果表明:一方面,使用Bruggeman等效模型简化设计过程并不会影响最终结果的正确性;另一方面,仅仅是加载较为简单的光学腔,即可使得探测器的薄膜光吸收率在近、中红外宽带设计时均大于82%,在近红外双波长设计时均大于93.7%,并且多孔薄膜结构具有天然的极化不敏感特性.     

Optical Filters Using Optical Multi-Layer Structures for Optical Communication Systems

Abstract

In this article, light reflection spectrums for different one-dimensional multi-layer structures are obtained. Optical reflectivities for periodic, superperiodic, and quasiperiodic structures have been calculated using the transfer matrix method. PBGs of each structure have been obtained using the optical reflectivity pattern. From a comparison of reflectivity and standard dense wavelength division multiplexing grids, it is demonstrated that narrow and dense band filters can be built from generalized Fibonacci quasiperiodic structures. Reflectivity of these structures contains bands that meet the ITU-T dense wavelength division multiplexing standard. Reflectivity of other multi-layer structures has poor or less potential to be used in dense wavelength division multiplexing systems.     

Optical Devices for Optical Access Networks Recent Progress in Semiconductor Optical Devices and Optical Modules

Cost-effectiveness is essential in developing optical access network systems. To reduce system costs, both improved system and component technologies are required. Reducing the costs of optical devices and modules in an optical network unit is especially necessary. In this paper, the requirements for optical devices in optical access networks and modules are clarified. Moreover, we also review the recent progress in technologies for semiconductor optical devices and hybrid integration for low-cost optical modules in access networks.     

振镜扫描光学多道谱仪

以平面光栅单色仪和光学扫描振镜为基础研制一套具有高时间分辨能力的光学多道分析系统,并利用计算机进行实时控制与数据采集。实验表明：本系统在保持谱分辨的同时,时间分辨率达到１０ｍｓ以内。     

无线光通信系统中的光接收机设计

介绍了无线光通信的特点，比较了光电检测器、光纤接收模块、自聚焦透镜和多模光纤接收机耦合三种设计方案，提出了自聚焦透镜和多模光纤之间的耦合设计是最优方案。详细讨论了自聚焦透镜和多模光纤之间的耦合设计和电信号处理过程。试验证明，采用该方案后系统输出信号的信噪比显著提高，完全可以满足通信系统的要求。     

光网络中的关键器件

光器件是光网中的基础单元之一。介绍了光网络中一些关键器件的重要特性及进展情况,讨论了光器件发展趋势。     

Diffractive Optical Elements for Dynamic Optical Coupling

Diffractive optical elements such as the complementary Dammann gratings are incorporated for dynamic optical fiber splitting and combining. Experimental results of 1′8 dynamic optical couplings are presented.     

光学材料光学均匀性检测方法分析

光学均匀性是光学材料的重要指标，直接影响到透射光学系统的波面质量，改变系统的波相差。惯性约束聚变（Inertial Confine Fusion，ICF）激光驱动器的研制要求对材料的光学均匀性进行高精度的检测，同时兼顾洁净度要求。实验中利用斐索干涉仪实现了大口径光学材料光学均匀性的检测，并与国外检测数据进行了对比，对检测过程中的影响因素主要包括样品的厚度测量偏差及折射系数偏差进行了分析。结果表明，样品的厚度测量偏差及折射系数偏差对结果的影响较小，可以忽略。同时用两种干涉仪专用软件对大量样品测量数据进行处理，对比了不同干涉仪光学均匀性的计算结果，表明这两种情况下对光学均匀性的处理结果相符，解决了大口径光学坯件光学均匀性的检测问题。     

基于半导体光放大器的光脉冲压缩方案的研究

对一种基于半导体光放大器(SOA)和普通单模光纤的光脉冲压缩方案进行了理论分析和实验验证.建立了该方案的理论分析模型,并在此基础上数值模拟了光脉冲的传播过程.计算结果表明,通过合理选取单模光纤的长度,可使50 ps光脉冲压缩到5 ps.实验表明利用普通单模光纤群速度色散导致的脉冲啁啾抵消SOA自相位调制引起的脉冲啁啾,实现了色散补偿及脉冲压缩.     

基于光学相干层析术的组织光学性质测量

通过在光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)模型中考虑多重散射的影响,提出了一种提取出不同深度处的组织光学性质,包括散射系数和各向异性因子的算法.当把吸收系数作为算法中的第三个拟合参量时,能减少算法拟合过程中由于吸收作用的影响而带来的误差.基于包含吸收因子的OCT扩展模型,改进的算法也能够提取出吸收系数.这些算法的有效性通过对聚苯乙烯微球溶液样品的测量实验得到验证.