基于SPASER机制的偏心金壳纳米天线的多波长散射特性

基于表面等离激元受激辐射放大(SPASER)机制,提出了一种硅-金-硅三层核壳偏心纳米天线,并利用有限元法分析了其多波长散射特性.结果表明:在SPASER机制下,该纳米天线产生极大的散射光强度,且工作波长的数目随着硅核偏心率的增加而增加;当硅核的偏心率为9 nm时,该纳米天线有4个共振峰,分别位于615 nm、656 nm、724 nm、847 nm,其对应的散射强度比非SPASER机制的纳米天线的散射强度高104倍;该纳米天线的散射波长还可以通过改变入射光的偏振角调节.基于SPASER机制的纳米天线对于设计多波长纳米激光器具有指导意义.     

紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的单向散射

采用时域有限差分法,数值研究了紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的远场散射特性.结果表明:紧聚焦的角向矢量光可在硅纳米环和开口金纳米环中分别激发出不同峰宽的磁偶极模式;由于模式间的杂化效应,两种磁偶极模式会耦合形成硅环-开口金环纳米结构的反键和成键模式;在峰谷1064 nm波长处,反键和成键模式间的相消干涉在面内形成了单向远场散射.进一步,详细研究了几何参数对单向散射的影响,并且借助该纳米天线的单向散射特性,实现了偶极光源的定向发射.研究结果提供了一种纳米光子结构远场散射的灵活调控手段,并有望为纳米光源、光学传感器等的设计和研发提供有益的参考.     

金属-绝缘体-金属结构的表面等离激元受激放大辐射放大器的研制

为了研究用于表面等离子(SP)波的可集成表面等离激元受激放大辐射(SPASER)放大器,设计了植入饱和吸收体的金属-绝缘体-金属(MIM)结构放大器的基本组成。根据SPASER的基本原理,对激射条件进行了分析,给出了放大器的制作工艺和抽运脉冲的设计以及性能指标。结果表明研制的放大器在选择566nm波长的入射光和532nm波长的抽运光,放大区采用长度范围为1～1.5μm的条件下,其脉冲响应时间可达100fs,带宽为1.5～2THz,SP的放大增益为30～60dB。该SPASER放大器研究将为大规模集成光子学芯片设计提供理论和技术基础,可在下一代高速通信系统中得到广泛应用。     

金属基底上光学偶极纳米天线的自发辐射宽带增强:表面等离激元直观模型

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线,实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041,在近红外波段,自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm,并且能够实现远场定向辐射.为了阐明天线性能背后的物理机制,本文考虑天线臂上表面等离激元激发和多重散射的直观物理过程,基于Maxwell方程组第一性原理,建立了一个半解析模型,能够全面复现天线的辐射特性,包括总辐射速率、远场辐射速率、远场辐射方向图等.该模型提供了一个直观的物理图像,即在模型导出的两个相位匹配条件下,表面等离激元在天线臂上形成了一对Fabry-Perot共振获得增强,然后传播到纳米间隙内点辐射源位置和散射到自由空间,由此分别提高了总辐射速率和远场辐射速率.并且,这一对Fabry-Perot共振产生了一对相互靠近的谐振峰,由此形成了宽波段自发辐射增强.本文提出的偶极纳米天线可以应用于荧光增强、拉曼散射增强及高速、高亮度纳米光源等领域,所提出的模型可用于光学天线的物理理解和直观设计.     

SDS增溶DCM水溶液的荧光特性研究

研究了十二烷基硫酸钠(SDS) 增溶DCM水溶液的荧光光谱特性。随着SDS浓度的增加, DCM在水中的溶解度大大增加,荧光强度增强;当SDS浓度从0.025 mol·L-1增加到0.5 mol·L-1时,荧光峰值相对强度增强95倍。用532 nm激光激发SDS增溶DCM水溶液获得648 nm的强染料激光输出, 其波长相对于由DCM乙醇溶液获得的635 nm染料激光红移13 nm。利用该溶液荧光对苯的受激拉曼散射(SRS)Stokes波长选择增强。作为对比,用DCM乙醇溶液的荧光对苯受激拉曼散射进行选择增强,结果显示出二者对苯的二、三、四阶Stokes波均可产生放大,但前者最大放大波长位于第三阶Stokes线(632 nm)处,放大因子8.5,后者最大放大波长位于第二阶Stokes线(595 nm)处,放大因子为2.5。另外分析讨论了SDS增溶DCM水溶液和荧光增强的机制及其应用前景。     

SiO_2/Ag等离激元纳米流体的温升特性

等离激元纳米结构具有很强的光子散射和吸收性能,本文应用等离激元效应强化光热转换特性。以基于SiO_2/Ag核壳结构的等离激元纳米流体为研究对象,采用时域有限差分(FDTD)方法模拟SiO_2/Ag等离激元纳米流体的光学吸收性能。由于等离激元共振效应的激发,纳米粒子周围的电场强度和能量密度显著增强。随着纳米粒子粒径增加,吸收强度降低,吸收光谱逐渐向长波方向扩展。根据能量平衡方程计算不同纳米流体内部的温升特性。对于体积浓度0.005,粒子粒径20 nm,壳层厚度为5 nm的纳米流体,平均温升为35.7 K。随着粒径增加,纳米流体内部温升逐渐降低。     

胶体金纳米颗粒的荧光光谱特性

研究了胶体金纳米颗粒的荧光激发光谱和荧光发射光谱特性.增大激发光的波长,发射峰相应红移并在629nm达到最强,对应的灵敏激发波长为473nm.增加金纳米颗粒粒径,观察到发射谱的峰值先增大然后减小.发射峰产生的原因在于电子与带间空穴的复合导致非线性共振光散射.发射峰强度和金颗粒粒径的关系可以用表面等离子体震荡引起的局域场增强来解释,数值计算结果和实验结果能较好的吻合.     

多波长级联拉曼光纤激光器的设计

基于稳态条件下描述光纤中受激拉曼散射效应的光功率耦合方程组,提出一种新的多波长级联拉曼光纤激光器的设计算法.结合遗传算法和打靶法的优点,采取对每一代种群中少数优良个体进行几次打靶,使得种群中目标函数最优化值附近的个体加速收敛.以500 m掺磷光纤为增益介质、光纤布拉格光栅构成谐振腔的三波长(1427 nm, 1455 nm, 1480 nm)级联拉曼光纤激光器为例,采用该算法计算了其输出特性.结果表明,总输出功率与抽运功率近似成线性关系,斜率效率约51%;由于谐振腔中三个输出波长相互之间的受激拉曼散射作用产生的能量转移,使得输出的长波长斯托克斯光斜率效率大于短波长斯托克斯光斜率效率.     

表面低配位原子对声子的散射机制

由于纳米结构具有极高的表体比,声子-表面散射机制对声子的热输运性质起到关键作用.提出了表面低配位原子对声子的散射机制,并且结合量子微扰理论与键序理论推导出该机制的散射率.由于散射率正比于材料的表体比,这种散射机制对声子输运的重要性随着纳米结构尺寸的减小而增大.散射率正比于声子频率的4次方,所以这种散射机制对高频声子的作用远远强于对低频声子的作用.基于声子玻尔兹曼输运方程,计算了硅纳米薄膜和硅纳米线的热导率,发现本文模型比传统的声子-边界散射模型更接近实验值.此发现不仅有助于理解声子-表面散射的物理机制,也有助于应用声子表面工程调控纳米结构的热输运性质.     

一种新型介质结构的超传输电磁特性研究

光入射到不同折射率材料的分界面时会很自然地产生反射现象. 在很多的工业应用中, 例如太阳能电池, 衬底的引入会在其表面产生反射损耗. 至今为止, 人们提出很多方法用来克服这一问题, 比较常见的有介质涂层、表面纹理、绝热折射率匹配和散射等离激元纳米粒子. 本文利用二维周期排布的亚波长级硅纳米圆柱阵列来降低衬底表面的反射. 结合辅助微分方程和时域有限差分法对该结构的散射特性进行系统研究, 结果发现, 纳米圆柱粒子能够产生类似于在金属表面发生的超传输现象, 这种现象的发生基于介质衬底耦合Mie共振机理, 该机理能在整个紫外到近红外光谱范围内将能量耦合到衬底中, 从而降低衬底表面的反射; 同时当散射结构被放置在具有高光学态密度的高折射率衬底附近时, 会产生较强的前向散射, 也能有效的减少后向散射即反射的发生. 基于降低衬底表面反射这一目的而言, 我们设计的结构可为实际太阳能电池及光学天线的设计提供参考.     

基于四层等离子激元结构的椭球孔阵列光学漏波天线（英文）

基于四层等离子激元结构(硅-金-硅-二氧化硅),通过在金属层中构造不同的椭球孔阵列,提出了两种不同结构的光学漏波天线,分别为一维对称锥形结构和二维对称锥形结构.基于天线理论和有限元方法,对天线的物理特性进行数值研究。研究结果表明:当工作波长为1 550nm时,这两种光学漏波天线带宽都为80THz(包含了S+-L+波段);当在天线端口处分别填充空气和氮化硅的时候,天线有较低的回波损耗和插入损耗,但对于两种不同的填充物,天线的特性表现出一些差异,例如,在一维对称结构中,天线端口处填充氮化硅时,天线有更少的回波损耗和插入损耗,更低的旁瓣电平,以及更好的方向性.该天线可用于光学集成互连、高度集成的光束控制和空间光通信中.     

基于受激布里渊散射的波长间隔可变多波长光纤激光器

提出了一个基于自激发受激布里渊散射的波长间隔可变多波长光纤激光器.利用单模光纤中自激发产生的非线性布里渊增益和掺铒光纤的线性增益组成混合增益光纤激光器,从而使光纤激光器在室温下产生稳定的多波长输出.改变双折射光纤环镜滤波器中保偏光纤的长度,可以实现波长间隔可变多波长激光产生,提高了多波长光纤激光器操作的灵活性和实用性.实验实现了波长间隔从0.8nm至0.076nm可变的多波长激光产生,波长数随波长间隔减小而增加,间隔为0.08nm的激光波长数达86.     

水中受激拉曼散射的能量增强及受激布里渊散射的光学抑制

为提高液体介质中受激拉曼散射的输出能量,提出了通过温度调控来抑制受激布里渊散射的方法,设计了532 nm多纵模宽带脉冲激光泵浦的受激拉曼散射发生系统,测量了不同温度下水中前向受激拉曼散射及后向受激布里渊散射的输出能量,分析了水温、泵浦激光线宽及热散焦效应对受激拉曼散射输出能量影响的物理机制.实验结果表明:通过降低水温可实现对受激布里渊散射过程的有效抑制,同时减小热散焦效应带来的光束畸变,从而有效提高受激拉曼散射的输出能量.研究结果对液体介质中的受激拉曼散射多波长转换具有重要意义.     

基于受激布里渊散射的波长间隔可变多波长光纤激光器

提出了一个基于自激发受激布里渊散射的波长间隔可变多波长光纤激光器.利用单模光纤中自激发产生的非线性布里渊增益和掺铒光纤的线性增益组成混合增益光纤激光器,从而使光纤激光器在室温下产生稳定的多波长输出.改变双折射光纤环镜滤波器中保偏光纤的长度,可以实现波长间隔可变多波长激光产生,提高了多波长光纤激光器操作的灵活性和实用性.实验实现了波长间隔从0.8 nm至0.076 nm可变的多波长激光产生,波长数随波长间隔减小而增加,间隔为0.08 nm的激光波长数达86.     

布里渊-掺铒光纤随机光纤激光器输出特性分析

设计了一种基于受激布里渊散射和掺铒光纤混合增益的随机光纤激光器,该激光器选用两段长为20km的单模光纤组成全开放腔结构,利用单模光纤的瑞利散射提供随机光反馈.研究表明,固定布里渊泵浦波长和泵浦功率分别为1 550.00nm和2.19mW时,增加掺铒光纤泵浦功率,可以实现两个波长的随机激光输出,一阶和二阶受激布里渊散射光与布里渊泵浦光波长间隔分别约为0.088nm和0.174nm,产生一阶和二阶受激布里渊散射对应的掺铒光纤泵浦功率分别为190mW和370mW;当掺铒光纤泵浦功率为433mW时,激光器两端的最大输出功率为1.60mW和1.68mW.当掺铒光纤泵浦功率明显高于阈值功率时,获得的一阶和二阶随机激光输出稳定,3dB线宽约为0.022nm,峰值强度和位置基本不随时间而变化.     

缝隙八木纳米天线设计及宽波段吸收特性

针对传统光伏电池能量收集易受环境与光照时间限制的问题,本文设计了一种用于太阳能收集的缝隙八木纳米天线单元及阵列.采用时域有限差分法分析缝隙间距对纳米天线远场方向性和近场分布的影响,并研究缝隙八木纳米天线阵列的吸收特性及不同缝隙间距对阵列天线吸收率的影响.研究远场方向性发现,当缝隙间距增加到一定距离时,天线方向图出现多个副瓣并产生新的辐射模式;通过对近场分析表明,新辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.天线阵列吸收率的仿真结果表明:在400~1 500nm波段,随着缝隙间距的增加,缝隙八木纳米天线阵列吸收率呈上升趋势,当缝隙间距等于80nm时,在400~660nm、760~1 300nm两个波段内吸收率较高,吸收峰值最大可以达到98%;以吸收率大于50%为基准,当缝隙间距等于80nm时,其吸收波段最宽.     

基于去偏振-偏振图像动态光散射的纳米棒尺度测量

二维纳米棒的布朗运动可以用平移扩散和转动扩散运动来描述.提出了一种基于去偏振-偏振图像的动态光散射(DIDLS)测量方法,通过分析纳米棒布朗运动的平移扩散和转动扩散在偏振激光入射下产生的垂直-垂直和垂直-水平偏振动态光散射信号,测量了纳米棒的尺寸和尺寸分布.研究了连续测量的偏振动态光散射信号图像间的相关系数函数,通过两次反演,计算出纳米棒的长度以及长径比,进而得到颗粒的二维尺度分布.分析了不同入射激光波长对测量结果的影响,提出自相关函数的基线值可以作为信噪比的判据.采用650,780,905 nm三种波长对直径为20 nm、长度为300 nm的纳米金棒进行了测量,得到了纳米金棒的平均尺寸和尺寸分布.     

钡蒸气的受激喇曼散射及碰撞诱导受激辐射

在宽带XeCl激光泵浦的钡蒸气中,观察到波长分别为472.6nm,582.6nm和648.3nm的碰撞诱导受激辐射以及波长为475nm的受激喇曼散射.碰撞锈导受激辐射脉宽为3ns左右的自终止型短脉冲,其强度随缓冲气体压力的升高而上升.喇曼光脉冲前沿与泵浦光脉冲前沿之间有长20ns的时间延迟,喇曼转换效率随缓冲气体压力的升高而下降     

金属亚波长结构的表面增强拉曼散射

灵敏度高、可重复性好的固态表面增强拉曼散射基板可作为生物医学、环境科学、化学化工、纳米科技等领域的生化感测器,具有十分重要的实际应用价值.传统的表面增强拉曼散射基于金属颗粒提供的局域表面等离谐振这一物理机制,但其组装不易且模式损耗大.本文基于周期性金属亚波长结构,构建增强拉曼散射信号的"热点",同时保证测量信号的可重复性.从表面光子能带结构出发,提出了区别于局域表面等离谐振的其他三种增强机制:表面等离子极化激元带边增强机制、间隙等离子极化激元增强机制以及二者相耦合增强机制.采用一定的工艺,提高金属表面平整度,抑制表面等离子极化激元的传播损耗,从而提高表面增强拉曼散射的增强因子.理论结合实验,且二者一致性好.研究结果有望将表面增强拉曼散射光谱技术进一步向实用化方向推进.     

液相二氧化钛纳米微粒的荧光和共振散射光谱特性

以钛酸四丁酯(TBTi)为前驱体,利用微波高压反应法合成了纳米二氧化钛溶胶,并与Ti(SO4)2水解法制备出的二氧化钛纳米微粒对比.考察了两种前驱体制备的二氧化钛纳米微粒荧光光谱及共振散射光谱特性,用TBTi制备的二氧化钛纳米微粒在320 nm有一个共振散射峰,在470 nm有一个同步散射峰,在360,400和470 nm处有三个荧光发射峰;用Ti(SO4)2制备的二氧化钛纳米微粒在340 nm有个共振散射峰,在470 nm有一个同步散射峰,400和470 nm处有两个荧光发射峰.反应条件对共振散射强度的影响与其对荧光的影响变化趋势一致,但共振散射光强度较荧光强度强得多.