Au,Au-介质,介质-Au球形纳米结构光散射性质研究

本文基于Mie散射理论,设计了三种(Au,Au-介质,介质-Au)球形纳米结构,并研究结构参数及周围环境对结构的光散射性质的影响。说明结构外半径的增加会使共振位置发生红移,线宽增加,并且偶极近似不再成立。经研究发现,在偶极近似下,Au-介质纳米核壳结构中核半径的增大使得散射峰增强,线宽也比金球颗粒的小。并且介质折射率的增加,会使散射峰进一步增强,并产生一定的红移。对于介质-Au纳米核壳结构,当Au层厚度较小的情况下,球模和腔模之间的强耦合作用使得共振峰位置发生较大的红移,散射峰也显著增强。并且随着介质核的折射率增加,会进一步使得模式发生红移。考虑到实际应用,最后通过在Au-介质纳米核壳结构的介质层引入增益,或者减小介质-Au纳米核壳结构半径,发现其均能在石英环境中实现可见光波段的窄带强散射。这些研究结果将对高性能透明显示屏的制备提供重要的理论依据。     

基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导

提出了一种基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导,通过两根紧邻的高折射率介质纳米线的耦合,该波导可以将光场有效束缚在纳米线之间的低折射率纳米缝隙中. 计算模拟的结果表明,该波导的有效模场面积达到Λ²₀/200,比单根纳米线波导小一个数量级,这种深亚波长的模场束缚能力可以与表面等离激元混合波导相比拟. 计算模拟的结果还表明,纳米线可能带有的低折射率氧化膜、低折射率衬底的存在、以及纳米线间尺寸存在的一定差异对于该波导结构的实际应用都不会产生很大 关键词： 介质波导 亚波长局域 表面等离激元波导 纳米线     

应用平行隔板增强纳米球表面电场

球形纳米粒子已经被广泛地应用于表面增强拉曼散射.为进一步提高纳米球表面电场,从而提高表面增强拉曼散射信号强度,本文设计了平行隔板纳米球结构.离散偶极子近似计算结果表明,应用平行隔板后,纳米球表面电场得到了大幅度增强,故平行隔板纳米球结构更适合作为表面增强拉曼散射衬底,用于生物分子探测.另外,本文还系统地研究了平行隔板结构参数对整个平行隔板纳米球结构光学性质的影响. 关键词： 银纳米球 平行隔板 表面等离子体 离散偶极子近似     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

Al2O3薄膜/纳米Ag颗粒复合结构的光吸收谱及增强Raman散射光谱研究

Al₂O₃介质薄膜与纳米Ag颗粒构成的复合结构,被应用于表面增强Raman散射探测实验中,其中Al₂O₃介质薄膜对纳米Ag颗粒的吸收谱及增强Raman散射光谱的影响被特别关注.该复合结构的光学特性表征出纳米Ag颗粒的偶极振荡特性.从光吸收谱中可以看到,其共振吸收谱随Al₂O₃介质薄膜厚度增加而在整个谱域上发生红移,表明纳米Ag颗粒的周围介电常数随Al₂O₃介质薄膜厚度的增加而增大.采用罗丹明6G作为探针原子,6个Raman特征峰的平均增益值作为表征表面增强Raman散射衬底增益程度的量度.实验结果表明,Al₂O₃介质薄膜层的引入提高了纳米Ag颗粒的衬底介电常数,并引起了散射共振的增强,从而使表面增强Raman散射强度提高. 关键词： 纳米Ag薄膜 共振吸收 表面增强Raman散射 介电常数     

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。     

电子能量损失谱探测银纳米棒与介质层强耦合的数值模拟

表面等离激元与量子发射体间的强耦合现象通常通过散射、吸收以及荧光等远场光谱探测方法进行研究.利用高度聚焦的电子束,电子能量损失谱能够实现亚纳米尺度的局域探测,可以更加有效地研究强耦合现象.本文在理论上分别模拟了银纳米棒、介质材料以及介质层包裹银纳米棒复合结构的电子能量损失谱.得到了可以与实验结果比拟的银纳米棒表面等离激元的电子能量损失谱.在上述复合结构的电子能量损失谱中观察到了谱峰的拉比劈裂,探究了银纳米棒尺寸对拉比劈裂的影响.分别在红外、可见光波段讨论了介质层的元激发与银纳米棒偶极辐射及高阶非辐射表面等离激元模式间的强耦合现象,从损失谱的空间分布成像角度探讨了强耦合引起的杂化等离激子(plexciton)的形成.本研究对强耦合现象的进一步实验和理论研究具有指导意义.     

硅表面抗反射纳米周期阵列结构的纳米压印制备与性能研究

硅表面固有的菲涅耳反射, 使得硅基半导体光电器件(如太阳能电池、红外探测器)表面有30%以上的入射光因反射而损失掉, 严重影响着器件的光电转换效率. 寻找一种方法降低硅基表面的反射率, 进而提高器件的效率成为近年来研究的重点.本文基于纳米压印光刻技术, 在2 英寸单晶硅表面制备出周期530 nm, 高240 nm的二维六角截顶抛面纳米柱阵列结构. 反射率的测试表明, 当入射光角度为8° 时, 有纳米结构的硅片相对于无纳米 结构的硅片来讲, 在400到2500 nm波长范围内的反射率有很明显的降低, 其中, 800到2000 nm波段的反射率都小于10%, 在波长1360 nm附近的反射率由31%降低为零. 结合等效介质理论和严格耦合波理论对结果进行了分析和验证. 关键词： 纳米压印 截顶抛物面阵列 抗反射 等效介质理论     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.     

基于气相沉积等离激元纳米粒子/三维石墨烯-镍泡沫复合结构的高灵敏度表面增强拉曼检测（英文）

本文提出一种基于气相沉积银纳米粒子和三维石墨烯-镍泡沫的复合等离激元结构.该结构是利用气相纳米团簇束流技术将高密度的银纳米粒子直接沉积于三维石墨烯-镍泡沫的表面制备而成.与传统银纳米结构相比,复合三维等离激元纳米结构具有"热点"数量多,局域场更强的特点,可作为基于表面增强拉曼技术的高灵敏度化学传感器.拉曼测试实验结果表明,该三维纳米结构在表面增强拉曼检测中可获得灵敏度高,重复性好的探针拉曼信号.通过进一步的理论模拟,发现该三维等离激元结构中增强的拉曼信号主要归因于纳米粒子与纳米粒子之间以及纳米粒子与石墨烯-镍泡沫衬底之间的多重近场耦合效应.     

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

Engineered omnidirectional external-reflectivity spectra from one-dimensional layered interference filters

Owing to optical refraction, external rays that are incident upon a high-refractive-index medium fall within a small internal cone angle. A one-dimensionally periodic Bragg structure can reflect over an angular acceptance range that is greater than the small internal refraction cone, if the internal refractive-index contrast is sufficient. Thus Winn et al. [Opt. Lett. (to be published)] charted the range of refractive indices at which omnidirectional external reflection occurs. A wide spectral gap requires a high-index contrast. It is proposed that, by chirping or grading the periodicity of the structure, one can cover an arbitrarily wide spectral range with only a modest index contrast and, furthermore, that arbitrary spectral shapes can be produced. The graded-periodicity approach requires only a modest index contrast, provided that the average refractive index is >2 .     

Effective optical response of silicon to sunlight in the finite-difference time-domain method

The frequency dependent dielectric permittivity of dispersive materials is commonly modeled as a rational polynomial based on multiple Debye, Drude, or Lorentz terms in the finite-difference time-domain (FDTD) method. We identify a simple effective model in which dielectric polarization depends both on the electric field and its first time derivative. This enables nearly exact FDTD simulation of light propagation and absorption in silicon in the spectral range of 300-1000 nm. Numerical precision of our model is demonstrated for Mie scattering from a silicon sphere and solar absorption in a silicon nanowire photonic crystal.     

Physics in plasmonic and Mie scattered near-field for efficient surface-enhanced Raman scattering template

We describe the physics of the SERS based on the optical near-field intensity enhancement on the metallic (plasmonic) and the nonmetallic (Mie scattering) nanostructured substrates with two-dimensional (2D) periodic nanohole arrays. The calculation by the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method revealed that the optical intensity enhancement increases with the increase of the thickness of a gold film coating on the nonmetallic (dielectric) nanostructured Si, GaAs, and SiC substrates. The resonance spectrum shifts with the changes in the geometrical structure of the void diameter and inter-void distance. It was clarified that the optical intensity enhancement obtained with the gold-coated substrate is equivalent to that with a gold substrate at 70-nm thick gold coating on the dielectric substrates in this structure. The resonance spectral bandwidth for Mie scattering and plasmonic near-fields is different. Therefore, if the Stokes line of the Raman scattering is located within the resonance bandwidth, the SERS signal is enhanced proportionally to the fourth power of the electric near-field. However, if the Stokes shift is located out of the resonance bandwidth, the SERS signal enhancement is only proportional to the square of the scattered near-field.     

等效球模型模拟冰晶云反射的误差分析

用射线光学理论计算了具有一定尺度分布的六角冰晶粒子在可见和近红外光谱区一系列波长上(0.2～5μm)的单次散射特性.利用米氏(Mie)理论,计算了与六角冰晶具有相同截面积的球形粒子的单次散射特性.根据辐射传输理论,应用累加法,分别计算了由冰晶粒子和等效球形粒子构成的卷层云的多次散射特性,计算结果表明当入射波长λ≈3.0 μm时,等效球Mie理论可以很好地用于计算卷层云的反射特性,但是当λ＜2.8μm时,尤其在可见光区,将引起显著的误差.最后提出了计算冰云光学特性的两种方案.     

Extremely wide band Rayleigh resonant reflector with sharp angular spectra in near infrared wavelength band

In this paper, we propose an extremely broadband Rayleigh resonant reflector with sharp angular spectra operating in near infrared wavelength band, this device consisting of a single germanium resonant grating layer is designed and analyzed by using with the rigorous vector diffraction theory. At the Rayleigh angle, the first diffracted order can be appear from evanescent to a propagating one, thus, a very sharp angular spectrum characteristics can be presented in the device. Based on the guided mode resonant effect, high index material such as silicon and germanium can be designed as wide band reflector, beam splitter and polarizer in near infrared wavelength region. Through connecting Rayleigh phenomena and guided mode resonant effect, we can design a new kind of optical devices with versatile characteristics such as sharp angular spectra and extremely wide reflection band. In this paper, we present a Rayleigh resonant reflector with extremely high reflection (R > 99.5%) for TE polarization light over ∼600 nm wavelength range and sharp angular spectral distribution. In addition, it is shown from our calculations that the high-index nano-layer located adjacent to the substrate is seen to critically affect the resulting spectra of Rayleigh resonant reflector.     

硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计

陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力. 通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结. 针对以上三种应用, 本文运用有限时域差分(FDTD)法系统研究了硅纳米线阵列在 300-1100 nm 波段的光学特性. 结果表明, 当硅纳米线作为太阳电池的减反层时, 周期P=300 nm, 高度H=1.5 μm, 填充率(FR)为0.282条件下时, 反射率最低为7.9%. 当硅纳米线作为轴向p-n结电池时, P=500 nm, H=1.5 μm, FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%. 硅纳米线作为径向p-n结电池时, 其光吸收主要依靠纳米线, 硅纳米线P=300 nm, H=6 μm, FR= 0.349 条件下其吸收效率高达32.4%, 进一步提高其高度吸收效率变化不再明显. 此外, 本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质, 与周期性硅纳米线阵列相比, 直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高, 相比于周期性硅纳米线阵列, 优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%, 吸收效率为27.8%. 本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化, 为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.     

基于BiFeO_3/ITO复合膜表面钝化的黑硅太阳电池性能研究

采用金属银辅助化学刻蚀法在制绒的硅片表面刻蚀纳米孔形成微纳米双层结构,以期获得高吸收率的太阳能电池用黑硅材料.鉴于微纳米结构会在晶硅表面引入大量的载流子复合中心,利用磁控溅射技术在黑硅太阳电池表面制备了BiFeO_3/ITO复合膜,并对其表面性能和优化效果进行了探索.实验制备的具有微纳米双层结构的黑硅纳米线长约180—320 nm,在300—1000 nm波长范围内入射光反射率均在5%以下.沉积BiFeO_3/ITO复合薄膜后的黑硅太阳能电池反射率略有提高,但仍然具有较强的光吸收性能;采用BiFeO_3/ITO复合膜的黑硅太阳能电池开路电压和短路电流密度分别由最初的0.61 V和28.42 mA/cm~2提升至0.68 V和34.57 mA/cm~2,相应电池的光电转化效率由13.3%上升至16.8%.电池综合性能的改善主要是因为沉积BiFeO_3/ITO复合膜提高了电池光生载流子的有效分离,从而增强了黑硅太阳电池短波区域的光谱响应,表明具有自发极化性能的BiFeO_3薄膜对黑硅太阳能电池的表面性能可起到较好的优化作用.     

Enhanced light trapping for the silver nanoparticles embedded in the silica layer atop the silicon substrate

The optical properties of the structures with silver nanoparticles embedded in the silica layer atop the silicon substrate are simulated by the finite-difference time-domain method. The effects of nanoparticle size, period, silica layer thickness, and the angle of incidence of the illuminated light on optical transmissions are studied. It is found that there is the red-shift for the maximum of the total light transmitting into the silicon substrate as the silica layer thickness increases. The electric field intensity distributions and the average power densities for the structure with largest optical transmission is studied, and the strong electric field intensities are found in the silica regions surrounding to the silver nanoparticles, which can help the light energy going into the silicon substrate. By controlling the structure parameters, the optical transmissions of the structures with the silica layer can have higher optical transmissions than the cases without the silica layer. The silica layer plays the role as the graded refractive index layer between the air and the silicon substrate, and the light power from the incident wave can transmit into the silicon substrate with less optical reflections for choosing a suitable silica layer thickness. A guideline to design the structures with high optical transmissions for the solar spectra is given. This study cannot only be useful for the solar cells applications, but also other antireflection applications.