折射率对金属-电介质-金属光子晶体强透射特性的影响

通过改变一个薄电介质层的折射率来研究其对金属-电介质-金属光子晶体(M-D-MPhC)强透射特性的影响。采用与CMOS工艺兼容技术制作了由折射率分别为[nd(SU-8)=1.6,nd(SiO2.1N0.3)=1.6和nd(SiO0.6N1)=1.8]组成的三个正方形晶格圆孔阵列M-D-MPhC结构,利用傅里叶变换红外光谱仪测量其透射光谱。实验结果发现,金-SiO2.1N0.3-金结构能够获得较强的光透射增强效果和较窄的透射峰,证明了M-D-MPhC强透射特性既与中间电介质折射率大小有关,又与其材料制作工艺差异有关。采用时域有限差分(FDTD)法模拟了在相同条件下折射率分别为1.6和1.8组成的M-D-MPhC透射光谱和电场强度密度分布,模拟结果较好地符合了实验发现。     

基于辅助电介质层的棱镜表面等离子体共振效应研究

研究了一种基于棱镜基底-辅助电介质层-金膜-待测介质四层结构的表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)效应激励模型.采用薄膜光学与波导理论,探索了由辅助电介质层与金膜复合而成共振薄膜对SPR效应的激励机理与调制特性.借助时域有限差分方法,数值模拟得到辅助电介质层属性与共振能量传输特性关系.在此基础上,构建了波长调制型棱镜辅助电介质层结构SPR激励系统.研究结果表明,当待测介质折射率相同时,相较基于棱镜基底-金膜-待测介质三层结构的Kretschmann激励模型,辅助电介质层激励模型共振光谱整体向长波方向偏移且半波宽度出现显著展宽效应.而当待测介质折射率增大时,辅助电介质层型激励模型的共振光谱不仅会向长波方向偏移,而且折射率响应灵敏度比棱镜Kretschmann三层激励模型高出75%.因此该模型能够为诸如高灵敏度检测、新型光学滤波与调制器件设计等领域的研究应用提供理论与实践储备.     

多圆孔周期性银膜阵列结构的光学特性

提出一种多圆孔周期性银膜阵列结构,并利用时域有限差分算法探究该结构的光学特性。计算结果表明,当线性偏振光入射时,该结构表面激发出表面等离激元,且纳米孔间产生了局部表面等离子体共振,使得该结构的异常透射增强。针对这一现象,通过对中心孔与边孔所呈角度、入射光偏振角度、结构参数(中心孔直径、边孔直径、结构厚度、边孔与中心孔的间距)的调控来实现结构光学透射属性的优化。此外,分析所提结构在不同环境折射率条件下透射峰的变化规律,发现该结构也对周围的环境折射率具有较高的敏感度。因此该结构在表面等离激元滤波器和折射率传感器中具有广泛的应用前景。     

基于金属圆弧孔阵列强透射的折射率传感特性

提出了一种由左右、上下对称的一大一小圆弧组成的金属圆弧孔阵列结构。利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用,以获得较好的强透射现象;同时研究了基于该现象的折射率传感特性。采用有限时域差分法研究了该孔阵列结构中大小圆弧孔的半径、两圆弧的圆心距和阵列周期对强透射现象的影响。研究发现,当大圆弧半径为95nm、小圆弧半径为70nm、两圆弧的圆心距为100nm、周期为425nm时,该结构具有较好的强透射现象,其灵敏度为279nm/RIU,为下一代高性能微纳米等离子体传感器的设计提供了理论参考。     

带电聚合电介质表面吸附理论研究

摘要：应用聚合电介质吸附的定标理论,根据介质和表面电介质常数的比率,考虑多化合价吸附电介质之间强相关性作用,我们提出一种表面排斥电荷的近似定标理论方法,根据这种方法把电介质表面吸附层的相图分为本质上不同的两大类。从相图可知：当表面电荷密度低（或体带相反电荷离子密度高）,这时表面和体带相反电荷离子密度几乎相同;一旦表面电荷密度足够高,就使带相反电荷的离子在表面上浓缩。据此,可确定在这个区域内,低化合价聚合电介质形成一个相关的多链状态,当化合价足够高时,由于近邻链之间的更强排斥增强,使状态转变成单链。     

带电聚合电介质表面吸附理论研究

应用聚合电介质吸附的定标理论,根据介质和表面电介质常数的比率,考虑多化合价吸附电介质之间强相关性作用,我们提出一种表面排斥电荷的近似定标理论方法,根据这种方法把电介质表面吸附层的相图分为本质上不同的两大类。从相图可知：当表面电荷密度低（或体带相反电荷离子密度高）,这时表面和体带相反电荷离子密度几乎相同;一旦表面电荷密度足够高,就使带相反电荷的离子在表面上浓缩。据此,可确定在这个区域内,低化合价聚合电介质形成一个相关的多链状态,当化合价足够高时,由于近邻链之间的更强排斥增强,使状态转变成单链。     

原子在两个平行镜面间两层电介质板中的自发辐射率

利用光子的闭合轨道理论,我们研究了原子在两个平行镜面间两层电介质板（折射率分别为n1,n2）中的自发辐射率. 自发辐射率呈现出多周期的振荡结构。自发辐射率的傅立叶变换中的每一个峰和光子从原子出发到返回原子的一条闭合轨道相对应。结果表明自发辐射率和两层电介质的宽度和折射率有关。和只有一层电介质的辐射率比较,当两层电介质的折射率n1 和 n2 差别很小时, 两层电介质之间分界面的反射效应可以忽略;但是当二者的差别很大时,发射效应变得非常重要且自发辐射率中的振荡减弱。本文的结果为原子在不同电介质间的自发辐射率的研究提供了新的理解。     

可调谐交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器

设计一种新颖的交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器。利用石墨烯与电介质交界面产生的表面等离子体效应,在中红外波段获得双共振透射现象,结合石墨烯的电可调特性来实现透射谱的动态调制,采用时域有限差分法研究该结构中石墨烯的化学势、层数及几何参数对双共振透射现象的影响。结果表明:通过改变石墨烯的化学势及层数能够实现共振位置的调谐;优化结构参数后,该结构具有较好的传感性能和双共振透射现象,2个共振谷的灵敏度分别高达(1280±24) nm/RIU和(2800±49) nm/RIU,品质因数分别为17.1 RIU~(-1)和12.3 RIU~(-1)。研究结果为石墨烯等离子体生物传感器的设计提供了理论依据。     

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     

膜结构对金纳米线阵列表面增强拉曼散射的影响

金纳米线阵列作为表面增强拉曼散射的基底能够产生有效的增强效应,金纳米线阵列通过金线之间的电场耦合产生增强的拉曼信号。在实验中,制备出金纳米线阵列与金纳米刷,两种样品结构不同,金纳米刷的一面带有金膜。用巯基吡啶作为探针分子,金纳米刷的SERS实验显示出很好的增强效应,增强因子为106,不同位点的SERS谱具有区域不均一的特征。而相同实验条件下的金纳米线阵列的增强因子只有102。光学吸收谱表明这两种结构均发生了共振吸收增强电场,对其结构的分析表明,这两种结构具有不同的电场局域化分布,同时金纳米刷中金线上端强烈的电场耦合,这是其具有更好的增强效用的原因。同时,4-MP的表面增强拉曼谱的变化特征体现了化学增强效应的影响。     

High refractive index sensitivity sensing in gold nanoslit arrays

The extraordinary optical transmission(EOT) phenomenon of nano-periodic aperture array in metallic film has been widely investigated and used in biosensors. The surface plasmon resonance and cavity mode in some periodic nanostructures, such as nanohole and nanoslit, cause EOTs at certain wavelengths. This resonance wavelength is sensitive to the refractive index on the surface of periodic nanostructures. Therefore, the metallic nanostructures are expected to be good sensing elements. The sensing performances of gold nanoslit arrays are experimentally and theoretically investigated.Three-dimensional finite difference time domain(FDTD) simulations are utilized to explore their transmission spectra and steady-state field intensity distributions. The electron beam evaporation, electron beam lithography, and ion milling are applied to the gold nanoslit arrays with different widths and periods. The sensing performances of the gold nanoslit array are characterized via transmission spectra in four kinds of refractive index samples. The highest sensitivity reaches726 nm/RIU when the width of the gold nanoslit array is 38.5 nm.     

双层金属纳米光栅的TE偏振光异常透射特性

根据在亚波长金属光栅表面添加电介质会引起TE偏振光的透射异常性, 应用严格耦合波理论和时域有限差分方法, 研究了双层金属纳米光栅在TE偏振光入射时产生的异常透射现象. 利用等效折射率方法建立了双层金属光栅的等效模型, 得到了TE偏振光透射率与聚合物的折射率、厚度以及金属层厚度的变化关系. 确认了结构中聚合物是透射异常出现的必要条件, TE偏振光以波导电磁模式在其中传播, 并认为类Fabry-Perot腔谐振是透射峰值产生的主要原因.     

Rigorous transmittance analysis of a sub-wavelength Sb thin film lens

We quantitatively analysed the factors contributing to the optical transmission enhancement of a sub-wavelength Sb thin film lens, using the finite-difference time-domain (FDTD) method. The results show that the transmission enhancement of the dielectric with a Gaussian distributed refractive index loaded in a sub-wavelength circular hole is not only due to the high refractive index dielectric, but also due to the specific distributions of refractive index. It is the first study about the effects of the refractive index distribution on the transmission of a sub-wavelength aperture. This kind of lens has practical applications in the very small aperture lasers and for near-field optical storage and lithography. PACS 42.79.Ag; 42.25.Bs; 42.25.Fx     

Extraordinary Transmission through Metallic Grating with Subwavelength Slits for S-Polarization Illumination

Based on the rigorous coupled-wave analysis algorithm, we have systematically analysed the effect of the geometrical parameters of a dielectric film coated metallic grating with subwavelength slits on extraordinary optical transmission for s-polarization illumination. Results show that the dielectric film which sustains a waveguide electromagnetic mode on the top of the metallic lamellar grating can strongly enhance the transmittance, the positions of the transmission peaks are mainly determined by the period of the metallic grating, the thickness and refractive index of the dielectric film. This structure shows potential applications in excellent polarizers or polarization-isotropic devices at infrared spectral range by appropriately choosing the geometrical parameters.     

Enhanced and confined light transmission through a funnel-type aperture with a sub-wavelength outlet

Enhanced transmission through sub-wavelength hole arrays and a single sub-wavelength aperture with periodic corrugations surrounded have been investigated extensively. We report the similar phenomenon through a funnel-type aperture with a sub-wavelength outlet in a thick silver film, which was obtained numerically by using finite-difference time-domain method. Properties of the transmission spectrum can be modulated by geometric parameters of the funnel-type aperture. With periodic grooves or dielectric gratings on the output surface of the structure, beaming light emission can be obtained.     

Broadband dielectric film transflector for variable transmission optical filters

A broadband multilayer dielectric film transflector for applications in variable transmission optical filters is proposed. The dielectric film is composed of alternating TiO₂ and SiO₂ layers deposited on a substrate. The transmittance of the dielectric film transflector can be varied from 0 to 100% by adjusting the individual dielectric layer thickness and the number of layers. The conjugate gradient method is used to optimize the design of the transflectors. The obtained transflectors have good transmittance and reflectance within the whole visible range and the incident angle range 0-20°. The manufacturing tolerances on film thickness and refractive index are reasonably large.     

基于平面波导激励的修正长程表面波的传感器研究

为了解决传统的强度检测型波导激励的表面等离子体共振传感器灵敏度不高的缺点,研究平面波导激励的介质膜-金属-被测介质的可激发修正的长程表面等离子体波结构。采用离子交换的方法制备折射率可用费米函数拟合的平面波导,研究了离子交换时间对平面波导的模数及等效折射率等特性的影响,为激励波导的优化设计提供有效依据。采用制备的平面波导激励介质膜-金属-被测介质的非对称结构,研究金属材质、介质膜厚和金属膜厚等因素对修正的长程表面等离子体波特性的影响,对被测溶液的折射率进行检测。实验结果表明,其灵敏度为传统的强度检测型表面等离子体共振传感器的6倍,并且具有较好的线性关系。     

光子晶体光纤数值孔径的测量和数值研究

光纤的数值孔径是光纤的重要参数,大数值孔径光纤在激光器和激光感应荧光系统中有很好的应用前景。光子晶体光纤的数值孔径与传统阶跃型光纤不同,它与光波长有密切的关系。因此,本文用光谱仪测量了不同结构的折射率引导型光子晶体光纤的数值孔径,并进行了数值模拟,研究了光波长、包层空气孔直径、孔间距等对光子晶体光纤数值孔径的影响,同时对光子晶体光纤的非线性系数、宏弯损耗、截止波长、有效模面积等与光波长有关的参数进行了研究,取得了满意的结果。     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.