人工表面等离激元超材料

以微带为代表的传统微波传输线无法精细操控电磁模式,因此传统电子信息系统在空间耦合、动态响应和性能鲁棒性等方面存在瓶颈。人工表面等离激元(SSPP)超材料可打破上述瓶颈,是光学与信息领域的研究热点之一。人工表面等离激元超材料是一类模拟光频段表面等离激元特性的新型超材料,可在微波和太赫兹频段精细操控表面波,具有与平面电路相似的构型特性,可用于制备下一代集成电路的基础传输线。人工表面等离激元分为传输型和局域型两类。传输型人工表面等离激元超材料始于三维立体结构,后发展成超薄梳状金属条带构型。学者们构建了以其为基础的微波电路新体系,研制了人工表面等离激元滤波器、天线、放大器和倍频器等典型的无源和有源器件,并将其集成为可实现亚波长间距多通道信号非视距传输的无线通信系统。人工局域表面等离激元(SLSP)超材料也经历了从三维立体构型到超薄构型的发展历程,并通过螺旋构型、链式构型、高阶模式和杂化模式等为电磁波的亚波长尺度调控提供了更多自由度。系统讨论了人工表面等离激元超材料在微波电路中的相关理论和应用,包括人工表面等离激元超材料的基本概念、构型发展、无源/有源器件以及无线通信系统。     

表面等离激元耦合体系及其光谱增强应用

当入射电磁波频率与金属微纳米结构中自由电子的集体振荡频率相当时,金属微纳米结构中激发表面等离激元共振,其共振电磁场被强束缚在亚波长尺度以下界面附近,使其具备极大的电磁场局域能力.这一效应可以极大程度地增强电磁波与物质的相互作用,在金属表面等离激元耦合体系中尤为明显.本文简述了表面等离激元耦合效应、模式耦合理论以及对应的结构耦合体系.另外,还介绍了一类典型耦合体系在光谱增强中的重要应用,主要包括增强折射率传感、表面增强红外吸收、表面增强拉曼散射、表面增强光学非线性效应等.     

基于人工局域表面等离激元的高灵敏传感研究进展（特邀）

人工局域表面等离激元是一种基于表面等离激元超材料的电磁谐振模式，在微波、毫米波和太赫兹频段可实现深亚波长场束缚、高品质因子、高介电灵敏度等优异传感特性，并且与平面印刷电路工艺兼容，易于和信号检测电路、无线通信电路集成，因此在小型化便携式的物联传感领域展现出广阔的应用前景。本文重点介绍人工局域表面等离激元传感的新原理、相关技术及典型应用。在传感新原理方面，讨论了新型人工局域表面等离激元的谐振结构、电磁模式、以及涡旋波传感原理；在传感指标提升技术方面，探讨了模式间耦合和有源放大两种传感增强方法；在应用探索方面，回顾了人工局域表面等离激元在溶液浓度传感、细胞传感和力学量传感等方向的代表性工作，介绍了小型化人工局域表面等离激元传感系统的最新进展。最后，对人工局域表面等离激元传感的发展趋势进行了讨论和展望。     

表面等离激元增强的光和物质相互作用

表面等离激元近年来受到了广泛的关注.得益于表面等离激元的强局域约束作用,光场和能量被限制在亚波长尺度上,因而各种光和物质相互作用可得到显著的增强.表面等离激元的特性与材料、形貌、结构密切相关,相应的共振波长可覆盖紫外、可见光、近红外到远红外的光谱波段.由于表面等离激元的强局域电场,光与物质的相互作用,如荧光、拉曼散射、非线性光学、光热转换、光-声效应、催化、光伏转换等,都得以显著增强.本文简要回顾了表面等离激元的物理特性,具体讨论了各种基于表面等离激元增强的光和物质相互作用机理及相关应用,并探讨了存在的问题和进一步发展的方向.本文旨在为构造更高性能的表面等离激元器件,发展相关技术,进一步拓展表面等离激元的应用领域提供有益的参考.     

人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器

红外探测器具有把物体辐射的光子信息转换为电信号的能力,拓宽了人们观察自然环境与人类活动的边界.当前,长波及甚长波红外探测器已在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有诸多应用.随着各国对高端红外探测器要求的快速提升,传统红外探测器难以兼顾高响应率、高响应速度以及多维探测等性能指标的瓶颈日益凸显.基于微纳光学理论设计的人工微纳结构,可实现其与红外光子的高效耦合,综合调控红外光场的振幅、偏振、相位及波长等自由度.为拓展红外探测器额外的调控自由度,进而在实现高量子效率的同时,兼顾较高的响应速率与优异的偏振或波长选择性,集成红外探测器与人工微纳结构的研究思路近年来被广泛应用.本文讨论了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展,详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势,进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向.     

太赫兹表面极化激元

作为束缚于表面或界面的电磁波与极性元激发的耦合模量子,表面极化激元是克服衍射极限的核心物理.在紫外、可见以及近红外波段,表面等离子极化激元展现出了亚波长特性,具有高分辨成像等应用,并发展成为"表面等离子极化激元亚波长光学"学科;在中红外波段,表面声子极化激元发挥着同样的作用.太赫兹波段曾是人类认识的空白区域,近三十年来得以高速发展,其战略意义重大.具有克服衍射极限能力的太赫兹表面极化激元同样是小型化与集成化太赫兹器件,以及太赫兹超高分辨成像的重要物理基础.近几年来,对以石墨烯为代表的二维材料的研究突飞猛进,诞生了"石墨烯表面等离子极化激元亚波长光学"这门学科,并贡献于太赫兹领域.本文对可在太赫兹波段工作的人工超构材料、掺杂半导体、二维电子气、二维材料、拓扑绝缘体等结构材料的表面极化激元进行了较为全面的总结与介绍,为研制克服衍射极限的太赫兹集成光子学器件提供可资借鉴的物理基础.     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

等离激元能带结构与应用

近些年来,表面等离激元因其具有强局域、亚波长和高场强等特殊的光学性质而备受关注,在化学、生物、通信、纳米能源等各领域得到了广泛的研究.为了更好地控制表面等离激元的激发、传播和辐射,具有能带结构的周期性表面等离激元结构被广泛的研究.本文全面综述了具有等离激元能带的微纳结构、能带的产生机制与其特殊的性质,包括连续谱中的束缚态、波导、全带隙、拓扑等.在此基础上,基于等离激元能带设计所开展的一些应用也予以系统总结.最后,随着新材料的发现,本文还简要介绍了二维材料石墨烯等离激元能带和它的一些应用.     

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.     

基于表面等离激元谐振腔的窄谱增强传感器

表面等离激元是一种局域在金属和介质之间的电磁波,与金属表面自由电子的集体振荡有关,具有高度局域和近场增强的特性。为此,利用表面等离激元谐振腔对红外窄谱增强成像设备进行设计,单个纳米等离激元谐振腔由两片金属银层构成。模拟结果表明,该纳米等离激元谐振腔在红外波段起到窄谱吸收的作用,在纳米等离激元谐振腔中,吸收波段得到较大的电场增强,并且可以同时屏蔽不需要的波段。这种窄谱的CCD(Charge Coupled Device)有望应用在高分辨成像和日用红外CCD等领域,并且该设计展示出利用硅半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)平台制作波长约为800 nm的近红外CCD的商业应用价值。     

石墨烯等离激元增强红外光谱

红外光谱能够精准反映分子振动的信息,是表征材料成分和结构的重要手段.但是纳米尺度材料与微米尺度红外光波长之间约三个数量级的尺寸失配导致两者之间相互作用十分微弱,无法直接进行红外光谱表征.因此如何获得微量纳米材料的红外光谱信息成为了近年来红外光谱领域面临的关键挑战.等离激元能够将光场压缩实现局域光场增强,从而增强光与物质的相互作用.其中石墨烯等离激元因其具有高光场压缩、电学动态可调和低本征衰减等优点,为表面增强红外光谱提供了重要的解决方案.本文首先从不同材料体系出发介绍了红外等离激元,在此基础上从石墨烯的基本性质出发总结石墨烯等离激元及其在表面增强红外光谱上的优势,并重点介绍了石墨烯等离激元增强红外光谱的最新进展和应用,包括单分子层生物化学探测、气体识别和折射率传感等.最后对石墨烯等离激元增强红外光谱的下一步发展方向和应用前景进行了展望.     

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.     

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     

偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦研究获进展

正表面等离激元(surfaceplasmons)是一种局域在金属和电介质界面处的电磁场模式,能够突破光学衍射极限,将携带的光学信息和能量局域在亚波长尺度。在高端纳米光学应用领域,如高分辨近场光学成像、针尖增强拉曼光谱,光学集成器件、纳米光     

浅说人工微结构材料与光和声的调控研究

在过去的三十年里,人们在对光的调控方面进行着不懈的努力,取得了卓有成效的研究进展,其中突出的进展表现在诸如光子晶体的发展、等离激元学与亚波长光学的发展以及超构材料的发展等,文章简要探讨了当前超构材料和人工带隙材料等研究的几种发展趋势,展示了利用人工微结构材料实现对光和声的调控的美好前景.     

表面增强光学力与光操纵研究进展

金属纳米结构在光激发下产生的表面等离激元,可导致亚波长光场局域、近场增强等效应,在表面增强光谱、超灵敏传感、微流控芯片、光学力等方面有重要的应用.对于光学力而言,首先,由于表面等离激元共振及其导致的电场增强对于入射波长、几何结构等具有较强的依赖性,而光学力又与电场分布密切相关,所以可利用光镊(会聚光束)来操纵或筛选金属纳米颗粒;其次,入射光激发金属纳米颗粒聚集体后,在间隙形成的较大的近场增强和梯度,也可看作一种"等离激元镊",用于操纵其他颗粒;最后,当入射光的偏振改变甚至为新型光束的情况下,光学操纵将具有更高的自由度.本文首先简要介绍了表面等离激元增强光学力的计算;之后围绕光镊作用于等离激元金属纳米颗粒,等离激元镊作用于其他颗粒,与偏振、新型光场或手性结构相关的等离激元光学力这三个方面,综述了近年来表面等离激元金属纳米颗粒光学力和光操纵的一些新进展;最后提出了表面增强光学力与光操纵的若干研究趋势.     

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.     

表面等离激元——机理、应用与展望

等离激元光子学(plasmonics)的研究内容是金属纳米结构独特的光学性质及其应用.随着纳米科技的进步,等离激元光子学已经迅速发展成为一门新兴学科,在生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景.文章主要介绍表面等离激元(surface plasmons,SPs)的一些基本物理性质,包括局域的表面等离激元(localized surface plas-mon,LSP)和传导的表面等离激元(propagating surface plasmon polariton,SPP),文章还介绍了表面等离激元的几个重要的应用方向,例如生物/化学传感器、表面等离激元激光、光开关器件以及表面等离激元光逻辑运算,等等.     

表面等离激元光热效应研究进展

表面等离激元微纳结构能够将光场束缚在亚波长尺度,实现突破光学衍射极限的光操控,并显著增强光与物质的相互作用.在基于表面等离激元机理的光电器件研究中,微纳结构的自身光吸收通常被认为是损耗,而通过光热效应,光吸收则可有效利用并转换成热能,其中的物理过程研究和应用是当前等离激元学领域的热点方向.本文回顾了近年来表面等离激元微纳结构光热效应的相关工作,聚焦于表面等离激元热效应的物理过程、热产生和热传导调控方式的研究进展.在此基础上,介绍了表面等离激元微纳结构在微纳加工、宽谱光热转换等方面的应用.