二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景

石墨烯等离激元由于其独特的电学可调性、本征低衰减以及局域光场高度增强等特性, 引起了广泛的关注并迅速成长为一门新的学科分支--石墨烯表面等离激元光子学. 本文介绍了石墨烯等离激元的一些基本性质, 包括色散关系、局域的等离激元和传导的等离激元以及石墨烯等离激元对其周边介电环境的敏感性等. 在此基础上, 进一步介绍了石墨烯等离激元在太赫兹到中红外频段的应用, 比如有源光调制器的一些功能器件和增强的红外光谱探测等.     

光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强

提出了一种增强石墨烯光吸收率的布拉格光栅/石墨烯/金属薄膜光学结构。运用传输矩阵和时域有限差分法研究了其光传输特性,发现布拉格光栅与金属薄膜之间形成的塔姆等离激元局域场可有效增强光与石墨烯的相互作用,单层石墨烯的近红外光吸收率约增大了36倍。探讨了布拉格光栅的周期、石墨烯位置、入射角度、布拉格光栅层厚度及石墨烯化学势与石墨烯光吸收的关系。研究结果表明,上述物理参数的变化可有效调控石墨烯的光吸收波长及效率。研究结果为高性能石墨烯探测器等新型光电子器件的实现提供了新的途径。     

层级人工等离激元结构增强的太赫兹光电导天线（特邀）（英文）

为提高太赫兹光电导天线输出效率,提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成,理论与仿真结果表明,前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率,后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点,数值计算结果表明,其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线,层级人工等离激元结构在较宽频带范围内（0.86～1.51 THz）实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。     

表面等离激元增强型光电探测器研究进展

光电探测器可以实现光信号到电信号的转换,在工业、军事、医疗等领域已展现出巨大的应用价值。但是,传统的平直型光电探测器捕获线光的能力较弱,一定程度上限制了响应率等性能指标的进一步提高。而基于贵金属纳米结构的表面等离激元共振可以急剧增强近场区域的(纳米尺度)电场强度和对线光的捕获能力,大幅度地提高光电探测器性能。本文首先介绍了表面等离激元的基本原理。随后,详细介绍了金属纳米颗粒、金属光栅等不同结构的表面等离激元增强型光电探测器研究进展。最后,总结全文并针对表面等离激元增强型光电探测器的发展前景做出了展望。     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列     

非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡。当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性。利用该电磁场模式和光谱特性, 能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数, 在微纳尺度上实现光谱学信号的有效调控。目前,除了具有一定对称性的贵金属纳米材料被大量研究和应用外,非对称纳米结构的表面等离激元光谱特性也受到广泛关注。研究表明,在可见-近红外波段光谱范围内设计表面等离激元光电传感器件的关键问题在于,如何有效地调节其消光谱的共振波长、半峰宽以及峰值强度等主要特征参数。提出一种基于银纳米双环组成的非对称结构,利用时域有限差分方法,在可见-近红外波段内,通过分别改变银纳米双环的尺寸、间距及入射光偏振方向等参数,计算了该纳米结构在不同条件下的消光谱。结果表明,在0.4～3 μm的消光谱内,入射光能够激发产生两个独立的表面等离激元共振峰。通过研究峰值波长处的电场分布图发现,上述共振峰分别对应两种不同的电磁场模式。结果还表明,消光谱内两个独立的共振峰可以通过改变该双环结构的不同参数,被分别地进行调节。其中,可以通过改变该双环结构的半径来有效调节短波长峰的共振波长和半峰宽,同时保持长波长峰的共振波长和半峰宽基本不变。此外,通过改变两环间距或入射光偏振方向,可以分别以不同趋势来调节两个共振峰的峰值强度。在提出的非对称银纳米双环的消光谱中,获得了能够被分别调节的两个表面等离激元共振峰,研究结果能够为可见-近红外波段内基于银纳米材料光电传感器件的开发设计提供理论基础。     

太赫兹表面等离激元共振传感器

对通过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器的工作特性进行了理论分析.此类器件在可见光波段工作时,在由样品折射率、金属膜层性质和厚度决定的共振角度下会出现一个反射极小峰;但工作在太赫兹频率时,表面等离激元共振现象表现为一个反射增强的尖峰,而且这一共振角度与棱镜和样品的折射率之间存在一个简单的对应关系,并不依赖于棱镜所镀...     

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.     

基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化

为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率,采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。利用三维时域有限差分算法,分析表面等离激元作用下,长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。计算结果表明,对于8 m的入射光,当光栅周期P=2.8 m,孔直径D=1.4 m,光栅层厚度L=0.04 m时,X Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高。     

表面等离激元量子信息应用研究进展

近年来表面等离激元得到了越来越多的关注和研究,得益于其能把电磁场束缚在金属-介质界面附近的亚波长尺度范围内.本文回顾了近年来表面等离激元在量子信息领域中的理论和实验研究,包括表面等离激元的基本量子性质、表面等离激元量子回路、在量子尺度下与物质的相互作用及其潜在应用.量子表面等离激元开辟了对表面等离激元基本物理性质研究的新方向,可以应用于高度集成化的量子集成光学回路,同时也可以用来增强光与量子发光体的相互作用.     

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.     

Extraordinary optical transmission through metal gratings with single and double grooved surfaces

We investigate the transmission properties of a normally incident TM plane wave through metal films with periodic parabolic-shaped grooves on single and double surfaces using the finite-difference-time-domain method. Nearly zero transmission efficiency is found at wavelengths corresponding to surface plasmon excitation on a flat surface in the case where the single surface is grooved. Meanwhile, resonant excitation of surface plasmon polariton (SPP) Bloch modes leads to a strong transmission peak at slightly larger wavelengths. When the grating is grooved on double surfaces, the transmission enhancement can be dramatically improved due to the resonant tunnelling between SPP Bloch modes.     

Surface plasmon resonance and field confinement in graphene nanoribbons in a nanocavity

In this work, we demonstrate surface plasmon resonance properties and field confinement under a strong interaction between a waveguide and graphene nanoribbons (GNRs), obtained by coupling with a nanocavity. The optical transmission of a waveguide–cavity–graphene structure is investigated by finite-difference time-domain simulations and coupled-mode theory. The resonant frequency and intensity of the GNR resonant modes can be precisely controlled by tuning the Fermi energy and carrier mobility of the graphene, respectively. Moreover, the refractive index of the cavity core, the susceptibility χ⁽³⁾ and the intensity of incident light have little effect on the GNR resonant modes, but have good tunability to the cavity resonant mode. The cavity length also has good tunability to the resonant mode of cavity. A strong interaction between the GNR resonant modes and the cavity resonant mode appears at a cavity length of L₁ = 350 nm. We also demonstrate the slow-light effect of this waveguide–cavity–graphene structure and an optical bistability effect in the plasmonic cavity mode by changing the intensity of the incident light. This waveguide–cavity–graphene structure can potentially be utilised to enhance optical confinement in graphene nano-integrated circuits for optical processing applications.     

太赫兹波段石墨烯等离子体的增益特性

基于麦克斯韦方程组和物质本构方程对石墨烯表面等离子体进行了研究.从理论上探索了石墨烯表面等离子体激元在太赫兹波段的增益特性曲线,并且讨论了石墨烯表面等离子体增益与石墨烯中载流子浓度、石墨烯所处温度以及载流子动量弛豫时间的关系.研究结果表明:在太赫兹波段增益峰值随着石墨烯载流子浓度的增加而发生蓝移,并且在所讨论的温度范围内,由于增益峰所对应的频率都大于1 THz,因此温度的变化对增益峰值以及相应频率的影响不大,即在不同的温度下,相同载流子浓度所对应的增益曲线上峰值的位置和强度几乎相同;增益与石墨烯载流子动量弛豫时间相关,随着载流子动量弛豫时间的增加,使得激发态激励的电子增加,从而导致石墨烯表面等离子体增益变得更大,但这种动量弛豫时间的增加却因弛豫时间对受激辐射频率影响较小而并未对增益峰值位置产生影响.     

Optical response of tunable terahertz plasmon in a grating-gated graphene transistor

Tunable terahertz plasmon in a graphene-based device with a grating serving as a top gate is studied. Transmission spectra exhibit a distinct peak in the terahertz region when the terahertz electric field is perpendicular to the grating fingers.Our results show that the extinction in the transmission of single-layer graphene shields beyond 80%. Electronic results further show that the graphene plasmon can be weakly adjusted by tuning the gate voltage. Theoretical calculation also implies that the plasmon frequency of graphene can fall into the terahertz region of 1–2 THz by improving the sustaining ability and capacitance of the top gate.     

金属-介质光栅结构表面等离子体耦合效率的模拟研究

表面等离子体可以将光子局域在金属表面附近, 并形成很强的近场能量密度, 可以大大提高金属表面附近分子的发光效率和光电转换吸收材料的利用率, 从而提高发光器件和光电转换器件的效率. 本文研究了在一维周期性金属-介质混合结构的光栅中表面等离子体激元的耦合条件, 给出了耦合效率随着结构和填充因子的变化, 并证明了在光栅的填充因子较高以至光栅的金属间隔较小时, 光子耦合成为表面等离子体的效率较高, 可以达到94%以上. 关键词： 表面等离子体激元 填充因子 光栅 吸收光谱     

Thermal emission properties of one-dimensional grating with different parameters

Thermal emission is often presented as a typical incoherent process. Incorporating periodic structures on the tungsten surface offers the possibility to obtain coherent thermal emission sources. Here we illustrate grating as an example to examine the influence of the geometric parameters on the thermal emission properties. It is found that for very shallow gratings, only surface plasmon polariton(SPP) modes can be excited and the emission efficiency is closely related with the filling factor. When the ratio of the depth to period of the grating is in the range from 1/20 to 1/2, the field between the adjacent corners can be coupled to each other across the air gap for the filling factor larger than 0.5 and produce a similar resonance as in an air rod. Further increase of the grating depth can cause the groove of the grating forming metal–insulator–metal(MIM) structures and induce surface plasmon standing wave modes. Our investigations will not only be helpful for manipulating thermal emission properties according to applications, but also help us understand the coupling mechanism between the incident electromagnetism waves and gratings with different parameters in various research fields.