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     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

提高红外微测辐射热计光谱吸收率的金属光栅结构研究

为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率,设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构,研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。以金作为光栅材料,利用等离激元的谐振结构,克服金属材料的高反射特性,增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。通过改变光栅的结构参数,对等离子共振波长进行调节,提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。利用有限差分法,分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理,研究金属光栅的周期、占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。随着光栅周期由2μm逐渐增加到5μm,吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象,吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5,红外吸收峰的峰值波长向短波长移动,吸收峰高度也逐渐增高,但吸收峰宽度逐渐变窄。光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大,当厚度达到一定程度后,峰值基本保持不变。峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小,当厚度不足100 nm时,峰值波长减小的程度较大,随着厚度的继续增加,下降趋势逐渐变缓,基本维持在10.6μm附近。通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理,对光栅结构参数的进一步优化,大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14μm的平均吸收率达61.6%,峰值吸收率在99%以上。金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究,对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。     

金属异质波导阵列中的表面等离激元传播特性

提出了一种新的一维金属异质波导阵列的设计方案,即波导芯区周期调制的金属波导阵列.数值模拟的结果表明,金属波导芯区的周期调制引起波导中传播的表面等离激元有效折射率的周期调制,从而可在特定的波段打开一个表面等离激元带隙(如1550nm附近).通过引入合适的缺陷波导单元,可获得特定波长的高品质因子(Q=556)的表面电磁模共振.这一结果可用于设计亚波长的布拉格反射器、光发射器、滤波器等,有可能被用于未来的集成光路.     

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.     

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.     

环形狭缝腔阵列光学特性的研究

设计了一种六角密排的二维环形纳米腔阵列结构, 利用时域有限差分算法对该结构的光学特性进行了探究. 仿真结果表明, 在线性偏振光入射时, 环形腔内可以形成多重圆柱形表面等离激元谐振, 谐振波长的个数和大小与环形腔的结构参数相关. 根据透、反射光谱, 电场矢量的模式分布及截面电荷密度的分布, 谐振波长处形成圆柱形表面等离激元, 谐振波长处入射光能量大部分在环形腔内损耗, 此时反射率为极小值, 环形腔内的电场增强效应为极大值(光强增强可达1065倍). 谐振波长与环形腔的结构参数(狭缝内径、狭缝外径、膜厚、环境介质折射率、金属的材质)相关, 通过调节结构参数, 谐振波长在350–2000 nm范围内可调. 通过对比相同结构参数的单个环形腔和环形腔阵列的仿真结果, 周期排布对环形腔内的圆柱形表面等离激元吸收峰位置影响不明显. 该结构反射光谱对入射光电矢量偏振方向不敏感. 谐振波长的可调控性对于表面拉曼增强和表面等离激元共振传感器的设计与优化具有指导性意义, 且应用于折射率传感器时灵敏度可达1850 nm/RIU.     

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.     

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收.本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ_1=0.553μm、λ_2=0.769μm、λ_3=1.130μm三通道上提高了石墨烯吸收效率,石墨烯吸收效率最高可达41%.对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振.经过模拟分析可知,通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率,而石墨烯化学势仅能对共振峰λ_3的吸收效率有影响.最后优化结构参数,在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上,这可以作为超材料吸收器.     

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.     

利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强

构建基底/窄刻槽金属光栅/覆盖层/石墨烯结构,利用金属光栅激发的表面等离子体激元共振和窄光栅刻槽支持的法布里-珀罗共振,在可见光波段实现单层石墨烯的双通道吸收增强,并结合简化模型估算出双吸收通道所在位置.在波长462和768 nm处,石墨烯的光吸收效率分别为35.6%和40.1%,相比石墨烯本征光吸收率的增强均超过15.5倍.进一步研究发现由于短波处吸收增强源于金属光栅的表面等离子体激元共振,其吸收特性受覆盖层厚度、刻槽深度和宽度变化的影响较小;而由于长波处吸收增强源于窄刻槽中的法布里-珀罗共振,因此呈现出良好的角度不敏感吸收特性.     

A detailed study of metallic surface-relief grating

This paper presents a more detailed interaction of an electromagnetics light with a metallic surface-relief subwavelength grating utilizing the rigorous coupled-wave analysis. The focus of this work is the accurate modeling of undetermined aspects of diffraction patterns produced by binary metallic grating structures, specially gold grating. First-order diffraction efficiency for rectangular-groove gold grating with equal groove and ridge widths are presented for various wavelengths as a function of period, groove depth, polarization and angle of incidence. We also studied diffraction efficiency of both of TE and TM polarization modes against increasing of incident angle as well as TE polarization against increment of grating period. As a result, very low reflectivity at zero-order was found out for TE and TM polarizations at the pitch of Λ = 2λ. Having been studied diffraction efficiency of metallic surface-relief gratings, we also examined polarization-dependent efficiency of diffraction orders, for different groove depths. Simulation results have been completely presented.     

金属光栅对表面等离子体波的辐射抑制研究

对金属光栅进行严格耦合波理论计算, 得到了780和1500 nm波长入射光条件下不同光栅调制深度(20-80 nm)对应的反射谱. 根据Fano理论推导了描述反射谱线的经验公式, 最后应用有限元法计算光栅表面近场电场分布, 验证了公式的正确性. 反射谱线公式反映出光栅耦合表面等离子体的各个物理效应, 其中最重要的是反映出光栅在某一调制深度下对表面等离子体反耦合的抑制作用, 这一发现为设计光栅能量约束器件提供了物理依据.     

超表面上表面等离激元波的光栅衍射行为研究

本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明:SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同,由于SPP波的近场属性,经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象,但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光;在近场衍射情况下,其情况与自由空间光衍射行为类似,对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光;而当金属光栅周期大于SPP波长时,高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。     

全息光刻中的驻波效应研究

对光刻胶内光强分布进行了计算与模拟, 结果表明, 来自基底的反射光与入射光干涉, 光强在垂直基底的方向上呈现强弱周期性变化, 即驻波效应. 进一步的分析与实验结果表明, 随着基底反射率的增加, 驻波效应变得严重, 进而影响光栅掩模的槽形、占宽比并限制线条高度. 为减弱驻波效应的影响, 尝试了使用减反射膜降低基底反射光强度, 实验结果表明, 在基底与光刻胶之间增加一层减反射膜吸收来自基底的反射光强度, 减弱驻波效应的效果显著. 关键词： 全息光刻 驻波 减反射膜     

Compact surface plasmon amplifier in nonlinear hybrid waveguide

Surface plasmon polariton(SPP), a sub-wavelength surface wave promising for photonic integration, always suffers from the large metallic loss that seriously restricts its practical application. Here, we propose a compact SPP amplifier based on a nonlinear hybrid waveguide(a combination of silver, LiNbO_3, and SiO_2), where a couple of Bragg gratings are introduced in the waveguide to construct a cavity. This special waveguide is demonstrated to support a highly localized SPP-like hybrid mode and a low loss waveguide-like hybrid mode. To provide a large nonlinear gain, a pumping wave input from the LiNbO_3 waveguide is designed to resonate inside the cavity and satisfy the cavity phase matching to fulfill the optical parametric amplification(OPA) of the SPP signal. Proper periods of gratings and the cavity length are chosen to satisfy the impedance matching condition to ensure the high input efficiency of the pump wave from the outside into the cavity. In theoretical calculations, this device demonstrates a high performance in a very compact scheme(~3.32 μm) and a much lower pumping power for OPA compared with single-pass pumping. To obtain a comprehensive insight into this cavity OPA, the influences of the pumping power, cavity length, and the initial phase are discussed in detail.     

Atomic force microscopical and surface plasmon resonance spectroscopical investigation of sub-micrometer metal gratings generated by UV laser-based two-beam interference in Au-Ag bimetallic layers

Metal films containing silver and gold layers having different thicknesses were evaporated on glass substrates. Two-beam interference technique was applied to irradiate the surfaces by the fourth harmonic of a pulsed mode Nd:YAG laser. The atomic force microscopical study showed that surface relief grating having a period of 900 nm corresponding to the interference pattern was developed on the metallic films. The modulation amplitude of the laser-induced gratings was increasable by enhancing the number of laser pulses at constant fluence, and a groove depth commensurable with the film thicknesses was generated at the average fluence of 39.5 mJ/cm² on bimetallic layers. The surface structure was more regular, and the modulation amplitude was larger in case of bimetallic films containing thicker gold layers. The threshold fluences of the phase transitions were determined by numerical temperature model calculations for different metal layer compositions, and a good agreement was found between the calculated and experimentally observed threshold values. The division of the metal stripes into droplets and the development of holes were explained by the melting of the entire metal layers and by the vaporization of silver at higher fluences. The angle-dependent surface plasmon resonance spectroscopy realized in Kretschmann arrangement proved that the laser-induced grating formation was accompanied by the change in the optical thickness and by the modification of the structure of the bimetallic films. Broad side wings appeared on the resonance curves caused by grating-coupling in case of appropriate rotation angle and sufficiently large modulation depth of the grating's grooves, according to our calculations. The coupling on deep gratings developed on bimetallic films containing the thinnest gold layer and on monometallic silver films resulted in separated secondary resonance minimum development. The periodic adherence of native streptavidin on the metallic gratings was detected by tapping mode AFM, and based on the shift of the secondary resonance peak.     

凹面光栅型波长解复用器的标量波动分析

利用标量波动衍射理论，通过对光栅槽面的数值积分，计算了罗兰圆型集成二维凹面光栅像点的光强分布。给出了光线追变法难以得到的光栅槽面沿光栅圆不同方位刻划所引起的成像点对于光栅方程计算位置的偏离；在对色散和分辩力的分析上，获得了与光线追迹法很好的一致性；分析了光栅的槽面波、光源的模场宽度以及因工艺产生的槽面圆角对光栅成像的影响；最后给出了光栅的波像差和光线像差的计算。     

周期栅格结构表面的零反射现象

为研究周期微栅格对材料法向反射特性的影响规律,利用时域有限差分(FDTD)方法计算周期在6~14μm之间的一维硅栅格结构的光谱法向反射率,通过选择合适的栅格轮廓和参数,在不同波长位置实现零反射现象.在此基础上分析三角形栅格的深度H和刻蚀宽度L对其光谱法向反射率的影响,发现在3.23μm和8.7μm附近实现零反射现象的最佳栅格参数.