含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.     

劈裂环-盘二聚体结构的多重Fano共振

利用时域有限差分方法,理论研究了由劈裂环和圆盘构成的金二聚体结构的光学性质,分析了劈裂环的缺口取向和对称性破缺程度对其Fano共振特性的影响.结果表明,当缺口方向平行于二聚体中心连线时,劈裂环的奇数阶和偶数阶模式均能与圆盘的偶极模式作用产生Fano共振,且随着劈裂环的进一步破缺,更多的偶数阶Fano共振能被激发出来;但当垂直时,不管劈裂环的缺口背对圆盘还是面向圆盘,二聚体仅有偶数阶Fano共振能被激发出来,且随着劈裂环内层中心远离圆盘而增强,随着劈裂环的进一步破缺,缺口背对圆盘的二聚体还能激发出多个奇数阶Fano共振,但同时也引起偶数阶Fano共振的减弱,而缺口面向圆盘的二聚体则仅发生偶数阶Fano共振的略微增大.这些结果可望对基于多重Fano共振的多波段光子器件设计有一定的参考意义.     

侧耦合谐振腔的多重独立可调谐Fano共振传感特性

基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。     

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3 028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。     

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10~4,共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10~4.该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.     

基于单劈裂环-双劈裂盘结构的多重磁Fano共振（英文）

采用有限元方法对单劈裂环-双劈裂盘纳米结构的表面等离激元共振进行了理论研究.当入射光垂直于结构表面时,亮磁模式和暗磁模式相互干涉会产生磁Fano共振.当双劈裂盘、空腔和单劈裂环的间隙同时沿x轴负方向偏移时,可产生高阶磁模式和双重磁Fano共振.在此结构的基础上,进一步调节单劈裂环的间隙宽度,可以在近红外区域增强磁模式的强度,并产生三重磁Fano共振;同样地,通过调节双劈裂盘的上劈裂角,在可见光区域可得到新的高阶磁模式,并产生三重磁Fano共振.此外,该结构的最大灵敏度和磁场增强分别达到1 400nm/RIU和69.7倍.这些光学特性使得该结构在超灵敏度生物传感器和多控磁Fano开关领域具有潜在的应用价值.     

二维电子波导/量子点结构中第二激发态对Fano共振的影响

本文用解析理论研究电子波导管/量子点系统中Fano共振透射问题.在第一能量窗口中考虑高激发态影响,发现共振透射率和峰位基本保持不变,但是远离共振区的透射率明显低于只考虑第一激发态的情况.在第二能量窗口中,入射波有两个本征模,两个入射模产生的Fano共振基本在同一个位置.每一个入射本征模都可激发起两个传播模,其中的Fano共振是由与入射模波矢一致的传播模产生的.外电势会以线性关系影响共振峰位.     

D3h和D4h等离激元超分子的Fano共振光谱的 子集合分解解释

针对D_3h和D_4h对称构型金属纳米多颗粒集合即等离激元超分子表面等离激元共振光谱的子集合分解及其相对应的Fano共振光谱低谷的产生机理, 本文运用群论的方法做出了详细的分析研究. 运用与群论中求解分子简正振动模式类似的方法, 推导证实了在线偏振光入射时, D_nh环形多颗粒只有2个电偶极表面等离激元共振模式, 增加中心颗粒会使模式增加1个. 对D_3h和D_4h等离激元超分子的表面等离激元共振模式进行不可约表示基向量正交分解分析表明, Fano共振光谱低谷是由于两个起主要作用的相邻模式包含有共同的正交基向量, 并形成相消干涉而产生. 这进一步验证了Fano共振光谱低谷的起源除传统观点(即源自于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的耦合)之外的另一种解释视角.     

Ag-Al纳米球二聚体的光学性质研究

金属纳米材料因其表面等离子体共振特性而备受关注。异质结构的金属纳米材料的光学特性相比于同质结构因其材料的不同破坏了原有结构的对称性,对称性的破坏将引起光学性质的改变,相邻两个颗粒之间的相互作用会产生Fano共振。Fano共振是由异质纳米结构的表面等离子体共振耦合引起的,通过合理地调控表面等离子体共振的耦合,将进一步调控Fano共振的强度同时促使异质结构的电场增强特性和辐射特性得到进一步优化。受金银等贵金属的带间跃迁影响,金属铝纳米材料成为研究紫外-近紫外光区的表面等离子体共振研究最佳选择。采用有限时域差分方法研究了Ag-Al纳米球二聚体的光学特性。研究了Ag和Al纳米球组成的二聚体的吸收光谱与入射光偏振方向、纳米球半径、颗粒间距和介质折射率等几何结构及物理参数的关系,并深入讨论了二聚体的局域场分布规律;讨论了获取更高效的Fano共振光谱的方法。由于材料的对称性被破坏,异质二聚体的光学性质与同质二聚体明显不同,Ag-Al异质纳米球二聚体呈现出在紫外和可见光区的双Fano共振现象。Ag-Al二聚体表面等离子体互相耦合引起Fano共振从而导致表面等离子体的共振抑制和增强。研究结果对在紫外-可见光区的表面等离子体应用、纳米光学器件的设计与开发及基于表面等离子体共振的表面增强光谱、生物传感和检测研究等有一定参考价值。     

超构平面的色散关系研究

本文研究超构平面的光-物质相互作用机理。以13 nm Ge/20 nm Al₂O₃/Ag结构为例,建立色散方程、计算色散关系曲线。研究表明:超构平面支持Brewster共振模式,满足波矢匹配条件时可由从空气中入射的电磁波激发,使共振波长处吸收率接近100%(厚度只有13 nm的Ge薄膜中吸收率超过96%)。还表明:在很宽水平方向波矢量范围内,超构平面TM和TE偏振色散关系曲线近似为水平线,因而具有广角度和偏振不敏感吸收特性(结构对60°入射的两种偏振光的吸收率仍超过90%)。     

非线性光学超构表面

在线性光学范畴内,人们已经通过亚波长尺度的超薄超构表面成功实现了对光的众多新颖特性的调控功能.其主要理念是通过对具有亚波长尺度且空间方向变化的超构功能基元进行特定的排列,从而实现对光的偏振、相位和振幅的有效控制.近来,超构表面上的非线性光学特性也引起了大家的广泛关注.在本综述中,我们对非线性光学超构表面的设计、超构功能单元的材料和对称性选择、非线性手性光学、非线性贝里几何相位和非线性波前整形等内容进行了总结;最后对非线性光学超构表面在调控光与物质的相互作用中面临的挑战和前景进行了展望.     

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     

三角缺口正三角形纳米结构的共振模式

设计了一个三角缺口三角形破缺纳米结构,它是从正三角形底边切掉一个三角切片所构成.应用离散偶极子近似方法研究了其消光光谱及表面电场分布.结果发现,该破缺纳米结构的消光光谱中出现了具有Fano共振的线形.分析表明,这个Fano共振线形是由绑定与反绑定混合表面等离激元模式相互作用所致.研究了三角缺口三角形纳米结构的结构参数对Fano共振的影响.     

超构器件的设计、制造与成像应用

超构光学为平面光学器件的发展提供了新的思路与方向。超构器件由亚波长人工纳米结构组成，能在二维平面上实现对入射光的振幅、相位和偏振的操纵。研究人员已经发展了多种超构表面技术，将其用于满足各式各样的光学需求。本文首先回顾了超构器件的前沿研究与技术发展现状，介绍了超构器件的广义设计流程，并以连续宽带消色差超构透镜为例进行逐步说明，帮助读者理解；然后，展示了多种超构器件加工方法，包括直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀等，进一步讨论了超构器件在成像应用中的发展，包括偏振成像、光场成像、光学感测以及生物成像等；最后，进行了总结，并对超构器件未来的发展提出了见解与展望。     

金-银纳米棒异质二聚体的Fano共振及其传感性质研究

本文我们通过有限时域差分法模拟研究了金-银纳米棒异质二聚体的光学等离子体耦合。在消光谱中,发现较短的银纳米棒产生的偶极明模式和较长的金纳米棒产生的四极暗模式产生了干涉相消耦合,从而出现了Fano共振。通过改变金属纳米棒的长度、距离和周围环境可以调控Fano共振的共振波长和强度。金-银纳米棒异质二聚体对周围环境变化具有较高的灵敏度,其品质因数大于8.5。由于金银异质体有比较好的抗腐蚀性和比较低的生物毒性,这使得它有望成为新一代基于表面等离子体Fano共振的生物传感器和分子探测器。     

双耦合谐振子Fano共振特性的实验设计与研究

Fano共振现象在纳米超材料等前沿热点领域有非常广泛的应用，通过一种简单的耦合谐振子模型，详细推导了Fano共振的动力学机理，设计了双耦合谐振子共振系统，将微观量子物理领域中Fano共振的概念引入到大学物理实验教学体系中，并提供了详细的实验设计与应用方案，对大学物理实验教学体系中关于共振的概念是一种有效的补充，同时也提升了实验课程的前沿性和综合性。     

非线性光学超构表面：基础与应用

光学超构表面是一种由亚波长尺度的超构单元在面内排布而构成的准二维人工结构材料。研究人员可以通过选择超构单元的材料组成、几何形状对光的振幅、偏振、相位和频率等光场自由度进行灵活调控。聚焦于超构表面在非线性光场调控领域的原理与应用。首先,概述了非线性晶体到非线性超构表面的发展历程。然后,讨论了对称性和几何相位在非线性光学超构表面中的重要作用。最后,介绍了非线性光学超构表面在波前调控、量子信息处理和太赫兹波的产生与调控等领域中的应用。     

基于多腔型超构材料的声场增强效应

构造了一种多腔型基本单元,由该基本单元构成的声学超构材料能够实现声场增强效应.此功能的实现是由基本单元的声腔和系统结构之间的相互耦合作用产生的单极子Mie共振引起.本文通过对多个基本单元进行不同形式的排列组合构造了对称型超构材料和非对称型超构材料,这两类超构材料可用于实现不同效果的声场增强.研究表明,由于对称型超构材料结构的高度对称,其声场增强效应的实现不受入射声波方向的影响;而非对称型超构材料的声场增强效应具有较强的方向依赖性,声波从不同侧入射时,超构材料对声场的增强效果也不同.本文关于这两类超构材料的研究将在隔声、声传感器、声通信、非对称性声学器件方面具有潜在的应用前景.     

基于硅基光子器件的Fano共振研究进展

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段.采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注.Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰,传输光的强度在共振波长附近从0突变为1,该机制可显著提高硅基光开关、探测器、传感器,以及光非互易性全光信号处理的性能.本综述分析了Fano共振的一般数学表述,总结了当前硅基光子微腔耦合产生Fano共振的理论模型研究现状,讨论了不同类型硅光器件实现Fano共振的方法,比较各种方案优劣及适用场合,梳理了Fano共振在全光信号处理方面的应用研究情况.最后探讨存在的一些问题及未来可能的相关研究方向.     

基于MIM谐振腔内嵌金属方芯结构的可调谐Fano共振

设计了一种由内嵌金属方芯的金属-绝缘体-金属方形气腔以及两个侧耦合波导组成的耦合结构,并采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:通过对气腔内金属方芯偏离角和偏离距离的调节可以获得并调制Fano共振;该Fano共振由对称破缺或几何效应影响左右波导和谐振腔之间耦合区域中的场分布强度所致,场分布模式的变化是由波导模和腔模之间的干涉引起的.此外,Fano共振的光谱位置和调制深度对偏差参数十分敏感,通过计算不同偏差角及偏差距离下的折射率传感特性发现,其折射率敏感度最高达1 508nm/RIU,品质因数最高达1 308.研究结果为设计更加灵活、简单、高效的片上等离子体纳米传感器提供了理论依据.