表面等离子体亚波长光学前沿进展

目前表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，SPPs)在光存储、光激发、显微术以及生物光子学等领域中的应用前景受到了广泛的关注．文章介绍了SPPs的基本性质和表面等离子体亚波长光学(surface plasmons subwavelength optics)研究中的热点问题及发展方向．     

表面等离子体激元纳米集成光子器件

纳米集成光子学的核心关键技术之一在于新型高效纳米光耦合器、纳米光波导等纳米光子器件的设计与制备.表面等离子体激元（SPPs）是由外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的一种相干共振,除具有巨大的局部场增强效应外,还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点.基于SPPs的各种纳米光子器件被誉为当今最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为目前国际上的一个研究热点.文章对基于SPPs的纳米集成光子器件的最新研究进展和研究成果进行评述。     

表面等离子体激元的若干新应用

表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振（SPR）场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。     

基于金属表面等离子激元控制光束的新进展

表面等离子激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种在金属-介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡,具有近场增强、表面受限、短波长等特性,在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。近年来表面等离子光学和基于SPPs的纳米光子器件的研究引起了国际上科学家们的广泛关注。讨论了SPPs的基本原理和在亚波长结构下的光学特性,介绍了基于亚波长金属结构的表面等离子激元在空间光束准直与聚焦、平面内光束聚焦与传导和在近场纳米光束的控制等方面的研究情况,以及在纳米光子学器件中的潜在应用。     

表面等离子体和人工电磁介质纳米光子器件

贵重金属在纳米光子学中开始起着越来越重要的作用,特别是贵重金属的表面等离子体效应和人工电磁介质结构的应用。表面等离子体纳米光子器件能实现光学模的亚波长束缚,因此在超高集成度光路、发光二极管、传感器、探测器等应用中将起着巨大的作用。同时,亚波长金属材料组成的人工电磁介质也能展现出各种激动人心的物理特性和潜在的应用。表面等离子体器件和人工电磁介质结构都需要贵重金属（如金、银等）作为其基本的组成元素。在这里,将回顾我们研究小组最近在表面等离子体器件和人工电磁介质结构方面的一些进展。将系统介绍光通讯波段的亚波长表面等离子波导和普通硅波导之间的高性能耦合器,以及超薄、宽吸收角度的亚波长人工电磁介质完美吸收结构等内容。也将简单介绍我们利用表面等离子体效应和人工电磁介质结构在隐形方面的一些研究。     

径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离子体激元透镜

表面等离子体激元透镜(plasmonic lens, PL)是一种通过激发和操控表面等离子体激元 (SPPs), 突破衍射极限, 实现亚波长紧聚焦的纳米光子器件. 如何实现高效率的紧聚焦及调控, 一直是研究PL的重点. 如果选取电矢量沿径向振动的径向偏振光作为PL的入射光, 可从各个方向激发SPPs, 提高紧聚焦的能量效率. 本文提出了一种在径向偏振光激发下的长焦深、长焦距、亚波长紧聚焦的表面等离子体激元透镜, 该透镜由中心T 形微孔、阶梯形同心环和同心环结构组成. 本文首先利用有限元方法数值分析了中心微孔-同心环结构透镜的聚焦特性, 结果显示径向偏振光由底部入射可高效激发SPPs, 并且中心微孔透射光与散射至自由空间的SPPs由于多光束干涉形成了紧聚焦. 为进一步压缩焦斑、增加焦距、加深焦深、改善透镜聚焦特性, 本文引入中心T形微孔-阶梯形同心环结构, 从而对阶梯表面的SPPs同时提供了相位调制和传播方向的控制. 经过参数优化, 该透镜结构实现了光斑焦深、半高宽、焦距分别是入射光波长的2.5倍、0.388 倍、3.22倍的亚波长紧聚焦; 而且该透镜具有结构紧凑、尺寸小、易于集成的优点, 满足了纳米光子学对于器件微型化和高度集成化的要求. 该研究结果在纳米光子集成、近场光学成像与探测、纳米光刻等相关领域具有潜在的应用价值.     

基于纳米光学等离子晶体的新型纳米光子学器件的发展

通过设计合适的纳米表面等离子结构,纳米光学等离子晶体具有光场增强效应,能调控近场范围内的光场分布,可用来设计新型的纳米光子学器件。介绍了纳米光学等离子晶体的原理、结构特点、制作工艺和纳米光子学器件的设计方法,对纳米光学等离子晶体和普通光子晶体做了比较。归纳了纳米光学等离子晶体的物理机制、光学特征,描述并分析了波长选择性场增强效应和束流效应等。给出几种基于纳米光学等离子晶体的纳米光子学器件应用实例。     

基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展

目前表面等离子体（surface plasmons,SPs）效应在光传感、光存储及生物光子学等领域的应用前景受到了广泛关注,通过计算模拟或实验基于SPs效应的光开关也层出不穷．文章较为系统地介绍了各种基于SPs效应的光开关原理和优缺点,对SPs全光开关做了重点介绍．     

基于DNA自组装的金属纳米结构制备及相关纳米光子学研究

纳米光子学是研究光在纳米尺度下的行为以及光和纳米材料相互作用的一门科学.金属纳米材料凭借其独特的表面等离子体效应,可以在衍射极限以下对光进行传递和聚焦,因而是纳米光子学研究的重点.大量研究表明,通过调控金属纳米材料的形貌和成分可以控制表面等离子体的性质,从而对光进行可控调节.近年来,随着DNA纳米技术的发展,又为纳米光子学的发展带来了新的机遇.首先,人们发现不同的DNA序列可以调控金属纳米颗粒的成长,从而影响金属纳米颗粒的形貌和成分.此外,利用DNA自组装技术,可以将金属纳米颗粒组装成为有序可控的纳米结构.因此,基于DNA的纳米光子学研究近年来发展十分迅速.在此背景下,本文对相关研究进行归纳与总结,以期吸引更多研究人员的关注,推动该领域的进一步发展.本文首先介绍了金属纳米结构基于表面等离体实现突破光学衍射极限的原理,然后按照DNA对金属纳米结构的形貌或成分影响方式的不同分成若干部分,对基于DNA的纳米光子学做了系统的综述,最后展望了未来可能的发展方向.     

基于纳米天线的多通道高强度定向表面等离子体波激发

设计了一种带有纳米天线的金属微腔结构, 以实现高强度表面等离子的定向激发. 在利用双狭缝结构实现表面等离子体波定向激发的基础上, 分别结合共振增强和干涉相长原理, 在传统结构的入射端面上添加纳米天线结构, 并增加狭缝通道数, 实现了定向激发的表面等离子体波的能量增强. 基于纳米天线的多通道高强度定向表面等离子体波激发装置结构简单, 系统紧凑, 并能够有效提高定向传播的表面等离子体波的能量密度和传播距离, 其对微纳光学传输和高密度光学集成领域等方面的研究具有重要意义.     

Subwavelength propagation and localization of light using surface plasmons: A brief perspective

Surface plasmons at the metal–dielectric interface have emerged as an important candidate to propagate and localize light at subwavelength scales. By tailoring the geometry and arrangement of metallic nanoarchitectures, propagating and localized surface plasmons can be obtained. In this brief perspective, we discuss: (1) how surface plasmon polaritons (SPPs) and localized surface plasmons (LSPs) can be optically excited in metallic nanoarchitectures by employing a variety of optical microscopy methods; (2) how SPPs and LSPs in plasmonic nanowires can be utilized for subwavelength polarization optics and single-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS) on a photonic chip; and (3) how individual plasmonic nanowire can be optically manipulated using optical trapping methods.     

阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦

研究光在微纳结构中的分布与传播, 实现在纳米范围内操纵光子, 对于微型光学芯片的设计有着重要意义. 本文利用聚焦离子束刻蚀方法, 在基底为石英玻璃的150 nm厚金膜上刻制了不同参数的阿基米德螺旋微纳狭缝结构, 通过改变入射光波长、手性、及螺旋结构手性和螺距等方式, 在理论和实验上系统地研究了阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦性质. 我们发现, 除了入射激光偏振态、螺旋结构手性之外, 结构螺距与表面等离激元波长的比值也可以用来控制结构表面电场分布, 进而在结构中心形成0阶、1阶乃至更高阶符合隐失贝塞尔函数的涡旋电场. 通过相位分析, 我们对涡旋电场的成因进行了解释. 并利用有限时域差分的模拟方法计算了不同螺距时, 结构中形成的电场及相应空间相位分布. 最后利用扫描近场光学显微镜, 观测结构中不同的光场分布, 在结构中心得到了亚波长的聚焦光斑及符合不同阶贝塞尔函数的涡旋形表面等离激元聚焦环.     

表面等离激元研究新进展

随着理论研究的深入和现代微加工技术的进步,对支持表面等离激元的金属微纳结构体系的研究已形成了一门新兴学科方向,即表面等离激元光子学。由于表面等离激元具有独特的光学特性,在数据存储、超分辨成像、光准直、太阳能电池、生物传感器以及负折射材料等方面有着重要的应用前景,成为当前广受国内外学者重视的热点研究领域之一。本文对表面等离激元的特点、基本现象,以及其带来的新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍。     

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.     

Polarization controlled couplings of surface plasmon with asymmetrical nanoslit pairs

Light-driven surface plasmons offer an opportunity to ultrafast information processing combining the compactness of electric circuits with the bandwidth of photonic networks. For practical applications, the efficient and controllable conversion from signal light to surface plasmons is essential. This leads to the recent developments in the polarization controlled couplings of surface plasmons. Currently, most works only tailor the orientation and arrangement of nanoslits to control the launching of surface plasmons. In this paper, we consider both the orientation and size of each slit in a one-dimensional array of nanoslit dimers. We first realize the unidirectional propagation of surface plasmons with designed wavefronts. Next, the unidirectional coupling and bi-directional coupling of surface plasmons are realized for a pair of orthogonal polarizations, respectively. This is quite different from the conventional opposite propagating surface plasmons excited by two orthogonal polarizations. The manipulation of both orientation and size of nanoslits allows additional freedom in the photon-plasmon conversions.     

Gap plasmon-enhanced photoluminescence of monolayer MoS_2 in hybrid nanostructure

Monolayer transition-metal dichalcogenides(TMDs) have attracted a lot of attention for their applications in optics and optoelectronics.Molybdenum disulfide(MoS_2),as one of those important materials,has been widely investigated due to its direct band gap and photoluminescence(PL) in visible range.Owing to the fact that the monolayer MoS_2 suffers low light absorption and emission,surface plasmon polaritons(SPPs) are used to enhance both the excitation and emission efficiencies.Here,we demonstrate that the PL of MoS_2 sandwiched between 200-nm-diameter gold nanoparticle(Au NP) and 150-nm-thick gold film is improved by more than 4 times compared with bare MoS_2 sample.This study shows that gap plasmons can possess more optical and optoelectronic applications incorporating with many other emerging two-dimensional materials.     

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.