基于Ag纳米棒阵列的表面等离激元微型偏振器

采用静电近似理论计算了Ag纳米棒阵列在不同偏振光入射下的消光光谱。当入射光偏振方向平行于纳米棒长轴时会激发表面等离激元纵向振动模式,而当入射光偏振方向垂直于纳米棒长轴时会激发表面等离激元横向振动模式。基于两种模式共振波长的不同,采用Ag纳米棒阵列可以用来设计高性能的表面等离激元微型偏振器。Ag纳米棒阵列的偏振性能在纵向共振波长明显优于在横向共振波长,通过调节纳米棒的纵横比可以对纵向模式的共振峰位进行大范围调控。结果表明这种微型偏振器所适用的波长能够通过纳米棒的纵横比在可见到近红外波段范围内调控,而消光比和插入损耗能够通过纳米棒的直径和长度实现调控。     

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。     

金属纳米颗粒光学性质的离散偶极近似计算

采用离散偶极子近似(DDA)方法,研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。研究结果发现,单体银纳米粒子的表面等离子体共振消光峰的位置随着周围介质折射率和粒子尺寸的增大逐渐红移,并且消光光谱的峰宽也越来越大。当银纳米粒子正方阵列的周期接近单体的共振波长时,阵列的消光光谱中会出现尖锐的共振峰,改变粒子尺寸的大小可以发现消光光谱中共振峰的峰值和位置有大幅度地改变,通过改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向上的周期,可以调节二维长方阵列共振峰的峰宽和峰位。该研究为纳米粒子在光学显微镜、生物传感元件、数据存储等领域中的应用提供有效地理论参考。     

偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响

空心方形纳米结构能够激发更大面积的增强电场,故其可以作为衬底用于表面增强拉曼散射.应用离散偶极子近似算法研究了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布与入射光偏振方向之间的关系.研究表明,空心方形银纳米结构的表面等离子体共振峰不随入射光偏振方向的改变而移动,但是其表面增强电场分布却强烈地依赖于入射光的偏振方向.另外,还讨论了空心方形银纳米结构间的耦合作用对其表面等离子体共振模式的影响.结果发现,可以通过调节结构间的距离来改变结构间的耦合作用,同时改变了表面等离子体共振峰的位置.这些结果将为理解闭合纳米 关键词： 空心方形银纳米结构 表面等离子体 偏振 电场耦合     

基于石墨烯纳米带的中红外等离激元调控

石墨烯在中红外和太赫兹波段可以产生表面等离激元,并且通过合理设计还可以对其表面等离激元进行调控。基于此,本文设计了一种共振可调结构。通过在电介质基底上沉积不同宽度的单层石墨烯条带,引入纳米尺度上的不连续性,从而有效控制石墨烯与光的相互作用。使用时域有限差分法对该结构的光谱和电磁场分布进行了理论研究。结果表明:当所设计的结构与入射光耦合时,会出现多个共振增强的吸收峰;改变每个周期内石墨烯条带的数目、带宽和带间距,可以控制共振峰的个数、位置和强度;另外,施加不同的偏置电压可以改变石墨烯带的费米能级,从而实现共振峰位置和强度的动态调控;该结构可以在较宽光谱范围内调控石墨烯等离激元。本文研究为设计中红外波段基于石墨烯的传感、滤波、吸收等器件提供了理论基础。     

内嵌圆饼空心方形银纳米结构的光学性质

采用离散偶极子近似方法计算了内嵌圆饼空心方形银纳米结构的消光光谱以及其近场的电场强度分布,并进一步与空心方形纳米结构的消光光谱和表面电场做比较.结果表明,在耦合作用下内嵌圆饼空心方形银纳米结构不仅产生了新的共振模式,而且新的共振模式在传统表面增强拉曼散射的激发波长范围内,进而可以弥补由于实验上运用纳米切片法所制备的空心方形纳米结构尺寸较大导致其共振吸收峰在远红外波长范围的不足.此外,可以通过改变内嵌圆饼空心方形银纳米结构的形貌参数调节其表面等离子体共振峰的共振波长,以满足在表面增强拉曼散射、生物分子或化学分子探测上的应用.     

ITO纳米棒结构红外波段消光特性模拟与分析

铟锡氧化物（ITO）作为一种高掺杂的半导体材料，其材料介电常数零点波长位于近红外波段，且其在近红外波段的吸收损耗较小，因此ITO可以成为近红外波段理想的局域表面等离激元共振效应（LSPR）材料。采用时域有限差分法模拟长方体状ITO纳米棒阵列的LSPR效应，通过调整ITO纳米棒的载流子浓度、尺寸、间距以及衬底折射率实现其红外波段LSPR共振峰的有效调节。这对于扩宽ITO纳米结构在红外波段LSPR效应的应用具有重要的研究意义。     

双对称性破缺Au-TiO_2-Ag三层纳米杯的LSPR特性研究

设计了一种双对称性破缺Au-TiO_2-Ag三层纳米杯结构,采用有限元方法分析了其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性,并采用等离激元杂化理论对LSPR现象进行理论分析。分别仿真了入射光偏振态、核壳结构参数和外界介质折射率对Au-TiO_2-Ag三层纳米杯消光光谱的影响。研究结果表明,当入射光偏振方向垂直于对称轴方向时,可将反对称横向耦合模式ω-⊥〉1的共振峰波长调谐至近红外区域1100nm附近,同时该模式共振波长随外界介质折射率的增大产生红移,这一特性可在生物传感领域得到广泛的应用。     

电子能量损失谱探测银纳米棒与介质层强耦合的数值模拟

表面等离激元与量子发射体间的强耦合现象通常通过散射、吸收以及荧光等远场光谱探测方法进行研究.利用高度聚焦的电子束,电子能量损失谱能够实现亚纳米尺度的局域探测,可以更加有效地研究强耦合现象.本文在理论上分别模拟了银纳米棒、介质材料以及介质层包裹银纳米棒复合结构的电子能量损失谱.得到了可以与实验结果比拟的银纳米棒表面等离激元的电子能量损失谱.在上述复合结构的电子能量损失谱中观察到了谱峰的拉比劈裂,探究了银纳米棒尺寸对拉比劈裂的影响.分别在红外、可见光波段讨论了介质层的元激发与银纳米棒偶极辐射及高阶非辐射表面等离激元模式间的强耦合现象,从损失谱的空间分布成像角度探讨了强耦合引起的杂化等离激子(plexciton)的形成.本研究对强耦合现象的进一步实验和理论研究具有指导意义.     

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析

应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.     

Polarization-tunable plasmon-enhanced extraordinary transmission through metallic films using asymmetric cruciform apertures

Plasmon-enhanced transmission of light incident on a periodic array of nanoscale, asymmetric cruciform patterns is demonstrated. The corresponding transmission spectra are shown to be polarization dependent and possess unique properties, such as the existence of isosbestic points for which the transmission is polarization insensitive. Transmission peaks corresponding to localized surface plasmon resonances and extended surface plasmons are also identified.     

金纳米棒复合体的消光特性

金属纳米颗粒局域表面等离激元共振时能够产生消光和近场增强效应已经成为国内外研究的热点. 应用时域有限差分法对L形纳米棒与普通纳米棒构成的金纳米棒复合体的消光光谱及其近场增强和电流矢量密度分布进行了研究. 计算结果表明, 普通纳米棒和L形纳米棒二聚体的光谱响应与纳米棒间的间距有关, 而金纳米棒复合体的消光光谱可通过调整L形纳米棒与普通纳米棒间的间距、L形纳米棒的臂长度以及普通纳米棒的长度进行调谐. 此外金纳米棒复合体可以分解成L形纳米棒二聚体和普通纳米棒二聚体两个部分, 通过分别改变L形纳米棒的臂长和普通纳米棒的长度, 对比L形纳米棒二聚体和普通纳米棒二聚体间的共振峰位置变化, 可以更直观地了解金纳米棒复合体消光光谱线型的变化. 这些结果可用于指导金纳米棒复合体纳米光子器件的设计, 以满足其在表面增强拉曼散射和生物传感等方面应用.     

Scattering characteristics of relativistically moving concentrically layered spheres

The energy extinction cross section of a concentrically layered sphere varies with velocity as the Doppler shift moves the spectral content of the incident signal in the sphere's co-moving inertial reference frame toward or away from resonances of the sphere. Computations for hollow gold nanospheres show that the energy extinction cross section is high when the Doppler shift moves the incident signal's spectral content in the co-moving frame near the wavelength of the sphere's localized surface plasmon resonance. The energy extinction cross section of a three-layer sphere consisting of an olivine-silicate core surrounded by a porous and a magnetite layer, which is used to explain extinction caused by interstellar dust, also depends strongly on velocity. For this sphere, computations show that the energy extinction cross section is high when the Doppler shift moves the spectral content of the incident signal near either of olivine-silicate's two localized surface phonon resonances at 9.7 μm and 18 μm.     

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.     

Surface plasmon characteristics of tunable photoluminescence in single gold nanorods

Light emission resulting from two-photon excited gold nanoparticles has been proposed to originate from the radiative decay of surface plasmon resonances. In this vein, we investigated luminescence from individual gold nanorods and found that their emission characteristics closely resemble surface plasmon behavior. In particular, we observed spectral similarities between the scattering spectra of individual nanorods and their photoluminescence emission. We also measured a blueshift of the photoluminescence peak wavelength with decreasing aspect ratio of the nanorods as well as an optically tunable shape-dependent spectrum of the photoluminescence. The emission yield of single nanorods strongly depends on the orientation of the incident polarization consistent with the properties of surface plasmons.     

基于法布里-珀罗腔的纳米环滤光器

同轴纳米环结构由于具有特殊的光学特性, 近年来引起了科学界的广泛关注. 本文将重点研究在以纳米环形结构为基础的法布里-珀罗腔中所存 在的两种形式的表面等离子共振, 平面型和传输型. 通过使用固定圆环阵列的周期而只改变圆环孔径大小的方法来实现调 节传输型共振并达到滤波的效果. 同时, 控制圆环阵列的周期使其足够大, 从而使得平面型共振峰位于近红外波段, 以避免对处于可见光波段的传输型共振模式形成干扰, 最终实现滤光效果. 在实验中, 通过使用周期固定为1200 nm而孔径大小从10到180 nm (以10 nm递增)的同轴圆环结构, 实现了把一束宽带的白光源分成不同颜色的单色光. 实验结果表明, 该方法解决了天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器都普遍存在的偏振敏感性问题, 使得类似滤光器件的应用范围更广, 更能适应非偏振的自然光. 通过有限时域差分法分析得到的理论计算结果和实验结果相匹配, 实验现象得到了很好的理论支持和解释. 关键词： 表面等离子体 同轴圆环纳米腔 透射型滤光器     

从光子晶体效应到表面等离子波的实时演变

文章报道了激光诱导太赫兹表面等离子谐振效应。采用激光抽运-太赫兹波探测技术，实时改变单晶硅中的载流子浓度，使其介电特性从类绝缘体演变为类金属导体，以支持表面等离子谐振效应，进而实现太赫兹波在周期性亚波长单晶硅孔阵列中的实时可控制谐振增强传输。同时还通过实验观测到太赫兹波从光子晶体效应到表面等离子波的实时演变。文章作者采用Fano模型对实验结果进行模拟分析，获得了与实验数据一致的理论拟合。     

Tunable wavelength-division multiplexing based on metallic nanoparticle arrays

We report a tunable wavelength-division multiplexing (WDM) structure based on two-dimensional silver nanoparticle arrays. The linewidth of the multiple geometric resonances of the arrays is of the order of several nanometers generally, which guarantees high wavelength selectivity. Optical channels can be selectively activated by setting the polarization of the incident wave. The operation wavelength can be tuned from the visible to the near infrared, and the free spectral range can be adjusted from hundreds to tens of nanometers by varying the size of the constituent particles and the interparticle distances. The proposed structure can provide an extinction ratio of ~10 and a quality factor of ~700. This tunable, easy-to-produce, and subwavelength WDM structure is desirable for plasmonic integrated circuits.     

Quality factor enhancement of plasmonic surface lattice resonance by using asymmetric periods

We report that using asymmetric lattice periods can enhance the quality factor of plasmonic surface lattice resonances(SLRs)in two-dimensional array of metal-insulator-metal nanopillars in asymmetric dielectric environment.Simulation results show that by adopting appropriate asymmetric lattice periods,the SLR quality factor can be enhanced by 24%compared with the scenario of symmetric periods.We find that the SLR quality factor is optimized when the resonance wavelength is closest to the Rayleigh cutoff wavelength.We also find that the SLRs effect is polarization sensitive in the proposed structure.We expect this work will advance the engineering of SLRs especially in asymmetric dielectric environments,and will promote their applications in sensing.