一种实现光学全吸收的镀膜技术研究

金属微纳结构中的等离激元模式激发时,伴随着局域场的增强,存在对光的吸收增强的现象。但是这种光学吸收增强依赖于模式共振,因而吸收的带宽通常比较窄。项目提出了利用常规的镀膜工艺制备由金属颗粒-介质薄膜-金属薄膜构成的"类三明治"微纳结构,详细研究了上层金属颗粒尺寸和中间介质层薄膜厚度对光吸收的影响,优化制备工艺和微纳结构,提出最佳结构参数,实现对光的宽波段的近完美吸收。项目工艺快速简单,成本低廉,适合大批量以及大面积的样品制备。     

一维金属光栅嵌入磁性介质纳米结构下的横向磁光克尔效应的增强

本文在一维金属光栅嵌入磁性介质的体系中实现了横向磁光克尔效应的增强.通过最优化金属光栅的嵌入深度来有效激发磁性介质中的波导模式与金属条带上的局域等离激元模式,从而使横向磁光克尔效应的响应得到巨大增强.本文提出了一种用于增强横向磁光克尔效应的新型等离激元微纳结构,这种结构可以应用于高性能磁光器件的设计.     

平面复合金属微纳结构的圆二色性研究

圆二色性效应在圆偏振器、光调制器及光电器件等方面具有广泛的应用.为提高平面金属微纳结构的圆二色性,本文设计了由无限长纳米线和G形微纳结构组成的平面复合金属微纳结构,并应用有限元方法研究了该阵列微纳结构的圆二色性特性.数值计算结果显示,在圆偏振光的激发下,G形微纳结构和平面复合金属微纳结构均出现了电偶极子、电四极子和电八极子等共振模式.当G形微纳结构与无限长纳米线连接时,各共振波长均发生红移,并且无限长纳米线增加了不同圆偏振光激发下的局域表面等离激元共振强度,从而使得平面复合微纳结构的圆二色性信号明显增强.此外,还研究了平面复合微纳结构阵列的几何参数对其圆二色性特性的影响.这些结果为提高平面手性微纳结构的圆二色性信号强度提供一定的指导思路和方法.     

旋转对称表面等离激元结构中极端局域光场的准正则模式分析

金属微纳结构中表面等离激元能够将自由空间光场局域到亚波长甚至纳米尺度,增强光与物质相互作用等各种物理过程,为等离激元光学在诸多领域带来诱人的应用.然而,目前对表面等离激元光学模场的局域性定量描述仍主要基于直观的空间几何尺寸确定的模式体积,并常被用于刻画模场与物质相互作用的强度.本文基于准正则模理论发展了表征表面等离激元结构中光场局域的理论描述方法,并针对两类典型结构的表面等离激元共振进行了系统的模式分析.结果显示表面等离激元共振可由多个本征模式构成,观察到的光场局域是所有模式共同作用的结果,只有当共振对应单一模式时可以用该本征模式的模式体积描述光场局域.最后,基于上述结果,本文探讨了极端局域光场和近来出现的"皮米腔"的光场局域本质.     

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     

阴极荧光在表面等离激元研究领域的应用

表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应,利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振,并在亚波长尺度实现对共振模式的调控,具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现,目前己被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发,综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展,并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用,进一步分析了其面临的关键问题,最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.     

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。     

基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用

本文研究了由超表面-介质间隔层-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)构成的等离激元微腔结构中的Tamm等离激元及其与激子间的相互作用.利用超表面中的结构参数变化能够调控光在其表面的反射位相这一特性,可以在微腔结构的介质间隔层厚度保持不变时,通过调节超表面的结构参数来调控微腔结构所支持的Tamm等离激元模式的共振位置,从而为Tamm等离激元模式的调控提供更多自由度.相比于传统金属薄膜-介质间隔层-DBR结构,我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控可以使超表面-介质间隔层-DBR结构在更小的间隔层厚度下支持共振在相同波长处的Tamm等离激元模式.此外,结合超表面对场的局域特性,可以有效地降低Tamm等离激元模式体积.在此基础上,对比研究了传统的和基于超表面的Tamm等离激元与单层二硫化钨(WS2)的相互作用,发现基于超表面的Tamm等离激元可以产生更强的光子与激子的强耦合作用,获得更大的拉比(Rabi)劈裂.     

金属纳米球-纳米圆盘结构中表面等离激元共振模式的电磁场增强研究

表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史,并逐渐形成了一门新的学科——表面等离激元光子学.位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强,并成功应用于诸多研究领域当中,而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少.该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间...     

金属-介质-金属纳米天线阵列的模式特性及荧光发射调控

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。     

混合谐振模式宽带长波红外超表面吸收器研究

为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求,设计了一种工作在长波红外波段(8~14μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面,以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6μm的带宽范围内,该结构有超过90%的平均吸收率,覆盖了大部分长波红外大气窗口波段,对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明:镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因,并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考,该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。     

Broadband absorption spectroscopy via excitation of lossy resonance modes in thin films

It is shown that broadband absorption spectroscopy utilizing thin lossy film configurations can be optimally facilitated when applied to metallic and insulating materials. For metallic films, the zero-order highly lossy resonance mode, characterized by ultra wideband absorption behavior under normal incidence, can be shifted, under parallel-polarization oblique incidence, toward a narrow band light-wavelength surface plasmon resonance condition. Higher order low-loss modes, however, occur in thin insulating films, exhibiting Debye relaxation behavior, typical for many aqueous solutions and biological substances. They can be excited in a highly scalable and sensitive manner in various frequency bands, between light and radio frequencies.     

周期地嵌入电介质球壳的金属表层的表面等离子激元及其与电介质腔体模式的耦合

通过观察金属底板中周期地嵌入电介质球壳的体系的光学吸收性质，研究了表面等离子激元 以及与其他电磁模式的耦合特性.在这种周期结构的金属表面，发现存在两种响应频率，分 别对应于表面等离子激元模式和金属中的电介质腔体模式.在这些响应频率上，可观察到与 它们相对应的吸收峰.由于金属的表面模式不能与平面入射光直接耦合，而腔体模式与平面 入射光和表面等离子激元模式的耦合一般较弱，因而通常情况下这些吸收峰的峰值有限.然 而，通过调整体系中的某些参数，可以使腔体模式和表面模式的频率非常接近，这时二者之 间的耦合强度将大大提高.此时，在相应的频率附近可观察到极强的吸收峰.详细地研究了介 质球壳的物理和几何参数对此共振吸收的影响. 关键词： 腔体模式 表面等离子体模式 共振吸收     

Mie谐振耦合的亚波长金属孔宽带高透射传输

表面等离激元共振激发的亚波长金属孔透射较Bethe理论有大幅度的提高,然而,由于共振对频率的敏感性以及金属在光频的高损耗特性,表面等离激元共振难以实现亚波长金属孔的宽带高透射传输.本文采用放置在金属孔两边的硅纳米颗粒的Mie谐振耦合取代表面等离激元共振,实现亚波长金属孔的宽带高透射传输.全波仿真结果表明,采用Mie谐振耦合的亚波长金属孔(r/λ=0.1)光传输,透射系数超过90%的带宽达到65 nm,与表面等离激元共振诱导的透射增强相比,峰值增高了1.5倍,3 dB带宽拓宽了17倍.根据耦合模理论,建立了Mie谐振耦合亚波长金属孔透射的等效电路模型,并在临界耦合状态下反演出电路模型中的元件参数值.进一步研究发现,仅通过改变等效电路模型中的耦合系数,就可全面揭示Mie谐振耦合亚波长金属孔透射的传输规律,并得到与全波电磁仿真完全一致的结果,从而找到光与放置硅纳米颗粒的亚波长金属孔相互作用的数学表达,也给予人们在光学领域按照电路设计方法构建相应功能模块的启示.     

金纳米棒状微粒的胶囊模型及吸收光谱

提出了金纳米棒状微粒的胶囊模型,用Waterman发展的T矩阵方法计算了金纳米棒状微粒的吸收光谱.计算谱和实验谱基本符合,520 nm左右处的吸收峰对应于金纳米棒的横向表面等离体子共振（横模）,长波长处的吸收峰对应于金纳米棒的纵向表面等离体子共振（纵模）.随着金纳米棒纵横比的增加,纵模吸收峰表现出显著的红移,横模吸收峰则微弱地蓝移.此外,计算结果表明,金纳米棒状微粒外部介质的介电常数必须随着金纳米棒纵横比的增大非线性地减小.     

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     

Tunable narrow-band infrared emitters from hexagonal lattices

In this work, we present both the theoretical basis as well as supporting experimental measurements for development of a novel mid-infrared thermally stimulated narrow band emitter with a spectral bandwidth of less than 10%. To achieve this, we utilize a metallized-surface 2D photonic crystal of air voids in a silicon background with hexagonal structure symmetry. Our results are based on the generation of discrete surface plasmon (SP) modes in the thin metallized layer residing on the top surface. This yields a series of adequately spaced discrete peaks in the reflection spectrum, dominated by a single sharp feature corresponding to the lowest plasmon order, in an otherwise uniform highly reflective spectrum (>90%) over most of the IR spectrum. This, in turn, gives rise to a sharp absorption feature with a correspondingly narrow thermal emission peak in the emission spectrum. Transfer matrix calculations simulate well both the position and strengths of the absorption peaks. By altering the period of the surface photonic lattice, the SP peak and emissive band can be tuned to the desired wavelength. These devices promise a new class of tunable infrared emitters with high power in a narrow spectral bandwidth. Such narrow band sources are critical to achieving high efficiency gas sensors.     

Effect of surface plasmons at the Al/alumina interface on the formation of nanopores in Al anodization

We investigated the formation mechanism of nanoporous alumina in the electrochemical reaction of aluminium with oxalic acid solution in terms of the pinning effect of Fermi level at the metal–oxide interface. On the Al metal surface, the image potential state pins the standing mode of collectively excited surface electrons and the evanescent wave forms the plasmon mode, which can be reflected in oxide barrier formation. A nanoporous alumina thin film with an amorphous phase oxide layer on the Al surface can enhance light absorption at a shorter wavelength than 382 nm and provide strong Fabry–Perot oscillation in photoreflectance. The cathodoluminescence spectra show the surface plasmon mode as a consequence of the self-ordered oxide nanopores. The Kretschmann configuration of an attenuated total reflection set-up for prism/oxalic solution/Al interface, which also provides a prism-coupled surface plasmon and forms oxide nanopores on the Al surface via a laser-enhanced anodization process.     

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。     

Optimal dispersion relations for enhanced electromagnetic power deposition in dissipative slabs

Broadband analysis of a prototype model associated with electromagnetic waves absorption in a lossy dielectric slab renders a closed-form theoretical prediction of an infinite number of optimal absorption paths in the complex refractive index domain. While for thin slabs (in terms of incident wavelength range) each path corresponds to a lossy Fabry-Perot-type resonance modes of order m=0,1,2,... and provides at least 50% absorption of the incident wave power even for ultrathin slabs, for optimal thick slabs, the fraction of absorbed power, asymptotically estimated via Lambert W function, increases up to 100% for consecutive continuation of the m=1 normal mode only.