一种基于介质光栅金属薄膜复合结构的折射率传感器

设计了一种基于介质光栅金属薄膜复合结构的折射率传感器。利用He-Ne激光器输出的632.8nm横磁偏振光激发复合结构中的表面等离子体,得到了高灵敏度的折射率传感器。运用有限元方法,数值模拟了具有不同光栅厚度、周期以及折射率的分析物的反射光谱。对占空比为0.5、金属薄膜厚度为45nm的复合结构进行了参数优化,得到最优参数为:光栅厚度100nm、光栅周期500nm。在最优参数条件下,计算了金属薄膜与具有不同折射率的分析物之间的界面共振角的变化,得到了高达500(°)/RIU的角灵敏度。该折射率传感器操作简单、成本低、角灵敏度高,具有很好的应用前景。     

聚甲基丙烯酸甲酯间隔的金纳米立方体与金膜复合结构的表面增强拉曼散射研究

金属纳米颗粒与金属薄膜的复合结构由于其局域表面等离子体和传播表面等离子体间的强共振耦合作用,可作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,显著增强吸附分子的拉曼信号.本文提出了一种聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)间隔的90 nm金纳米立方体与50 nm金膜复合结构的SERS基底,通过有限元方法数值模拟,得到PMMA的最优化厚度为15 nm.实验制备了PMMA间隔层厚度为14 nm的复合结构,利用罗丹明6G (R6G)为拉曼探针分子, 633 nm的氦氖激光器作为激发光源,研究了复合结构和单一金纳米立方体的SERS效应,发现复合结构可以使探针分子产生比单一结构更强的拉曼信号.在此基础上,研究了不同浓度金纳米立方体水溶液条件下复合结构中R6G的拉曼光谱.结果表明,当金纳米立方体水溶液浓度为5.625μg/mL的条件下复合结构中R6G的拉曼信号最强,且可测量R6G的最低浓度达10~(–11) mol/L.     

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径. 关键词： 表面等离子体 锗探测器 时域有限差分仿真     

非晶硅太阳电池宽光谱陷光结构的优化设计

陷光是改善薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以非晶硅（α-Si）薄膜太阳电池为例,设计了一种新的复合陷光结构：在Ag背电极与硅薄膜之间制备一维Ag纳米光栅,并通过保形生长在电池前表面沉积织构的减反膜. 采用有限元数值模拟方法,研究了该复合陷光结构对电池光吸收的影响,并对Ag纳米光栅的结构参数进行了优化. 模拟结果表明：该复合陷光结构可在宽光谱范围内较大地提高太阳电池的光吸收;当Ag纳米光栅的周期P为600 nm,高度H为90 nm,宽度W为180 nm时,在AM1.5光谱垂直入射条件下α-Si薄膜电池在300–800 nm波长范围内总的光吸收较无陷光结构的参考电池提高达103%,其中在650–750 nm长波范围内的光子吸收率提高达300%以上. 结合电场强度分布,对电池在各个波段光吸收提高的物理机制进行了分析. 另外,该复合陷光结构的引入,还较大地改善了非晶硅电池对太阳光入射角度的敏感性. 关键词： 非晶硅太阳电池 陷光 银纳米光栅 数值模拟     

基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构设计与仿真

本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构,利用FDTD软件仿真研究了AAO纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响,并对AAO结构参数进行了优化.仿真结果表明,表面AAO最佳结构参数是周期440 nm,厚度75 nm,占空比0.5,底部AAO最佳结构参数是周期380 nm,厚度90 nm,占空比为0.75.双重AAO组合陷光结构可有效增加薄膜硅太阳能电池在280—1100 nm范围内的光吸收,吸收相对增强可以达到74.44%.     

光纤端面微型传感单元的共振模式及影响因素

首先在光纤端面设计一种由金光栅-介质-金薄膜构成的复合结构,并研究多种共振模式随介质层厚度的变化及其场分布特点。然后研究限制在金光栅和金薄膜纳米级间距的波导共振模,通过反射谱的变化和谐振模式的电场分布特点研究不同阶次的纳米谐振效应。此外,还仿真计算金光栅的宽度、厚度及周期、中间介质层折射率和金反射薄膜厚度的变化对纳米谐振腔光谱特性的影响,根据波导模干涉的相位差公式定性分析其谐振频率的变化,并计算获得纳米谐振腔对腔内介质折射率和腔长的灵敏度。最后,搭建微位移平台,验证光纤端面与金薄膜所构成的Fabry-Perot干涉光谱随间距的变化,并提出光纤端面纳米谐振结构的实现方案。     

亚波长金属光栅的光耦合增强效应及透射局域化的模拟研究

介质层上的亚波长金属光栅产生的表面等离子体（surface plasmons,SPs）可以极大地增强光栅下介质层内的透射光强.增强作用从500 nm延续到近红外区域.在波长610 nm附近有接近110%的增强,在波长700 nm及740 nm处也有180%左右的增强.而这个波长范围与薄膜太阳能电池的吸收谱很相近,因此这种结构有望大幅度提高薄膜太阳能电池及不同波长光探测器等光电转换器件的光耦合效率. 关键词： 表面等离子体 亚波长光栅 薄膜太阳能电池 透射增强     

液晶环境下金纳米柱的表面等离子体特性研究

为了有效研究液晶环境对金属纳米结构表面等离子体的调制作用,基于时域有限差分方法,对液晶环境下金纳米柱结构进行了建模,上下边界采用完全吸收边界条件,四周为周期边界条件.数值模拟了液晶厚度、倾角、光栅距离以及周期结构等参数对金纳米柱的消光特性的调制作用.分析结果表明:随着液晶光轴角度增加,谐振波长出现红移现象,且调制范围为40nm;光栅距离越大,金纳米柱之间的相互作用越弱,谐振波长越小;增加周期长度,谐振波长红移,且随着周期长度增加,次峰作用越明显.利用液晶光学性质可调节金属纳米结构的表面等离子体特性,结果对液晶环境中表面等离子体结构在新的光子器件等方面的研究提供了理论依据.     

偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响

空心方形纳米结构能够激发更大面积的增强电场,故其可以作为衬底用于表面增强拉曼散射.应用离散偶极子近似算法研究了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布与入射光偏振方向之间的关系.研究表明,空心方形银纳米结构的表面等离子体共振峰不随入射光偏振方向的改变而移动,但是其表面增强电场分布却强烈地依赖于入射光的偏振方向.另外,还讨论了空心方形银纳米结构间的耦合作用对其表面等离子体共振模式的影响.结果发现,可以通过调节结构间的距离来改变结构间的耦合作用,同时改变了表面等离子体共振峰的位置.这些结果将为理解闭合纳米 关键词： 空心方形银纳米结构 表面等离子体 偏振 电场耦合     

金属光栅表面增强拉曼散射的偏振依赖性研究

表面增强拉曼散射的机理主要来源于金属表面等离子体共振所产生的电磁场增强,因而基底的电磁特性决定了其增强的性能。本文以干涉光刻方法制作的大面积均匀性一维纳米光栅为增强基底,从实验和理论上探究其表面增强拉曼散射的偏振依赖特性。本文使用苯硫酚作为探针分子,并采用633nm和785nm两种波长作为激发光源,开展了等离子体共振与非共振状态下金属光栅表面增强拉曼光谱的偏振依赖特性实验研究,并通过时域有限差分法对光栅电磁特性进行分析。研究发现,光栅表面的电场无论是否激发表面等离子体共振,其电场随入射光偏振方向都会呈现出sin函数的规律性变化,拉曼光谱的峰值强度则呈sin2函数的变化规律;此外,表面等离子体共振会进一步加大拉曼光谱的偏振依赖性。     

基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性

本文构建了一种包含石墨烯和亚波长光栅的复合结构, 借助衍射光栅的导模共振效应, 在石墨烯表面激发高局域性表面等离子体激元, 研究了石墨烯与光栅结构对表面等离子体激元局域特性的影响规律, 并借助基于有限元法的COMSOL软件, 分析了缓冲层厚度、光栅周期、载流子迁移率和费米能级对石墨烯的表面电场、品质因子Q和有效模式面积S_eff的影响. 结果表明, 石墨烯表面等离子体激元的局域性在特定的参数点获得显著提高: 当μ = 0.7 m²/(V·s)时, 品质因子达到最大值Q_max = 1793; 当p = 235 nm或E_F = 0.72 eV时, 表面电场达到了入射光的3000倍以上. 强烈的局域性导致强烈 的光-物质相互作用, 因而本文提出的复合结构可实现高灵敏度传感器和高效率的非线性光学设备, 极大地扩展了石墨烯在纳米光学领域中的应用.     

金属/石墨烯复合纳米阵列结构LSPR特性

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究金属/石墨烯复合纳米阵列的消光特性,考察金属基底和石墨烯纳米阵列尺寸对局域表面等离子体共振峰位和强度的影响,以及研究不同基底厚度比条件下纳米复合阵列的电场分布、规律和物理本质。仿真结果表明,当保持金属基底厚度不变时,Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列的局域表面等离子体共振峰随石墨烯原子层数的增大而增大,共振波长发生微小红移;当保持八根石墨烯层柱和银基底厚度不变时,随金银厚度比的增大,消光光谱发生蓝移;Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列银层表面的电场强度为最强,石墨烯纳米棒阵列的电场强度较强。     

宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅设计和性能分析

基于飞秒激光对脉宽压缩光栅宽光谱和高衍射效率的要求,提出了一种金属介质膜结构的宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅,该光栅由基底、金属介质膜和表面浮雕结构组成.为获得宽光谱高衍射效率的脉宽压缩光栅,采用严格耦合波理论对金属介质膜光栅的结构参数进行优化设计.数值分析表明当金属介质光栅的槽深、剩余厚度、占空比和入射角分别为272 ...     

深亚波长约束的表面等离子体纳米激光器研究

本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜 复合结构的表面等离子体纳米激光器, 并给出了理论研究和仿真分析. 这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合, 从而使场增强效应得到显著提高. 同时通过数值仿真研究, 得到该混合波导结构的模式特性和增益阈值随空气槽宽度、纳米线半径的变化规律, 表明它可以实现对输出光场的深亚波长约束, 同时保持低损耗传输和高场强限制能力. 通过最优化选择, 最终得到纳米等离子体激光器的最优结构尺寸. 关键词： 表面等离子体 混合等离子体波导 纳米激光器     

纳米结构表面形貌成型机理及其对石墨烯拉曼光谱的影响

通过真空热蒸镀和高温退火法制备的金属纳米复结构SERS基底因其具有良好的灵敏度,稳定性和均匀性而广泛应用于各种检测领域。石墨烯具有优良的光学特性,化学惰性以及荧光猝灭效应,自被发现以后一直是光学微纳器件中的一大热门材料。石墨烯还可以有效分离探针分子与基底,优化拉曼光谱质量,因此广泛应用于SERS研究领域。同时石墨烯可以有效隔绝金属纳米结构与空气的直接接触防止金属纳米结构被氧化而失效,也可以催化氧化银的脱氧反应提升SERS基底的稳定性。在石墨烯/金属纳米复合结构SERS基底在制备过程中,受到金属膜的种类、厚度参数、气体种类、退火时间、温度和气压等因素的影响,制备的金属纳米结构形貌存在很大差异。石墨烯的拉曼光谱会因为应力和掺杂导致其拉曼特征峰出现不同程度的增强,移动以及展宽。（1）采用真空热蒸镀法和高温退火法制备石墨烯/银纳米复合结构SERS基底,建立了金属纳米颗粒成型机理的模型,从孔洞形成、孔洞生长、金属纳米岛形成三个阶段分析了金属纳米粒子的成型过程,实验沉积5,10,15以及20 nm的银薄膜,退火后银纳米结构的覆盖率分别为~35.1%,~24.4%,~30%以及~96.0%,在沉积银薄膜样品上使用湿法转移石墨烯,退火处理后发现石墨烯阻止了银纳米岛的形成过程;（2）理论分析了银薄膜厚度、石墨烯覆盖对复合结构的几何形貌、拉曼增强特性的影响,石墨烯由于其具有较高的杨氏模量和表面张力,可以有效抑制退火过程中银薄膜向纳米粒子转变的过程,从而实现对复合结构表面形貌的调控;（3）实验研究了银纳米粒结构形貌对石墨烯拉曼光谱的影响,并理论分析了蒸镀不同银薄膜厚度的样品对石墨烯的拉曼光谱增强,移动以及展宽影响的具体原因。     

金属光栅表面增强喇曼散射TE模的计算分析

以纳米量级金属履带矩形光栅为模型,研究了表面增强喇曼散射的特性.针对TE模的入射光,采用耦合波原理对金属表面的衍射场进行了讨论,并用数值计算方法讨论了光栅周期、光栅深度等参量对表面增强的影响以及增强因子随第一级瑞利系数的变化关系.结果表明：在入射光波长为700 nm、光栅周期p=400 nm、 光栅深度d=150 nm、占空比为1/3、入射角度为10°时,获得最大增强,增强因子G可达102.     

基于折射率调制的表面等离子体全息衍射效率分析

针对折射率调制的表面等离子体全息显示方案,采用严格耦合波计算方法,仿真了变折射率薄膜正弦光栅结构参数与衍射效率的关系.结果表明,银作为表面等离子体激发材料时,0.2μm为光栅最优厚度,在此基础上,一级次光衍射效率与折射率差值、周期呈正比增长关系.对折射率范围进行了拓展,确定了折射率调制范围在1.34～1.8、周期为0.9μm时,对应的衍射效率可达33%以上.研究结果对于优化设计表面等离子体全息显示结构具有参考意义.     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

金属光栅的非对称透射现象研究

提出一种利用表面等离子体耦合的金属光栅结构,该光栅结构因入射光的方向和耦合表面等离子体的条件不同,从不同方向入射时会有不同的透射率。周期为500 nm、填充因子为0.7的Au-SiO₂光栅结构在565~589 nm波段具有单向透射性。当填充因子为0.662时,最大透射对比率达3×10⁴。当光栅厚度为60 nm时,入射波长在570~630 nm之间的透射对比率均可达到5以上,最高透射率为43%。当光栅周期为1 100 nm时,1 530~1 590 nm波段的透射对比率均大于5,可以满足中红外波段的应用。