基于表面等离子体激元的纳米激光器设计

设计了一种基于纳米线/间隔层/金属层的纳米激光器结构.该结构中,金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,提高了场增强效应.采用有限元法,分析了该结构的模式特性和增益阈值随几何尺寸的变化规律.结果表明:该结构具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,有效传播损耗最小值仅为0.013 3,归一化模式面积最小值仅为0.007.该纳米激光器结构可为发展新一代高效纳米激光器件提供理论和技术支持.     

Planar Spoof Surface Plasmon Polariton Antenna by Using Transmissive Phase Gradient Metasurface

Spoof surface plasmon polariton (SSPP) antennas are of particular importance in communication and radar systems. Currently available SSPP radiation devices are limited to low performance with high side-lobes because it is extremely challenging to accurately control the wave vector of SSPP and the inherent momentum mismatch between the SSPP and spatial waves. Inspired by the optical principle of reversibility, high-performance radiation control of SSPP is proposed to be achieved with transmissive phase gradient metasurface (TPGM). The TPGM, placed a meticulously optimized distance above the SSPP propagation structure, can provide an additional opposite wave vector to match the momentum between the SSPP and spatial waves. When the propagating SSPP transmits on the TPGM, it can be decoupled into the free space accurately and flexibly. Numerical results coincide well with the measurements, indicating that the radiation control of SSPP achieves high-performance and low side-lobe within 9 to 10.5 GHz with the measured radiation efficiency higher than 50%. The measured maximum efficiency appears at 9.8 GHz for 69%. Thanks to the flexible and accurate manipulation of the dispersion relation of SSPP provided by TPGM, the findings may open an avenue in achieving larger angle scanning antenna.     

干涉型表面等离激元显微术成像的研究

运用Matlab系统地模拟了信号光相位与样品的厚度和折射率之间的对应关系,为干涉型表面等离激元显微术提供了理论依据,同时证明了基于相位探测的干涉型表面等离激元显微术相比基于强度探测的表面等离激元显微术具有更高的纵向分辨率,而且为生物化学方面的动态变换过程的实时监测提供了一种新方法.     

基于侧边抛磨光纤表面等离子体共振的折射率和温度传感研究

用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,通过磁控溅射法溅射金膜制成侧边抛磨光纤表面等离子体共振(SPR)传感器,并通过理论和实验对传感器的折射率灵敏度以及温度特性做了深入研究。结果表明表面等离子体共振波长随待测样品折射率的增大向长波长方向漂移,平均折射率灵敏度为4.1×103 nm/RIU(RIU为单位折射率),高于已报道的结果;共振波长随待测样品温度的升高向短波长方向漂移,平均温度灵敏度为0.36nm/℃,故该光纤SPR传感器具有更强抗温度漂移能力和更高的高折射率灵敏度,其在生物化学传感领域有重要的应用。     

近场研究表面等离子体在银纳米线上的传输

通过双探针近场光学扫描显微镜在银纳米线上实现近场激发和近场收集表面等离子体,用一个探针在银纳米线的一端近场激发表面等离子体,另一个探针近场探测银纳米线上的表面等离子体强度分布,得到强度分布图.强度分布图显示表面等离子体在银纳米线的一端被有效激发并且有一部分表面等离子体沿着银纳米线和基底的界面传播到了另一端.用有限元法对银纳米线内的传播模式进行数值模拟,结果显示银纳米线内存在两种表面等离子体传播模式,分别为基模和高阶模.沿着银纳米线和基底介质之间传输的基模表面等离子体由于传输环境稳定,散射损耗小,实际传输长度接近模式传输长度,达10μm以上;而高阶模表面等离子体由于部分裸露在空气中受表面缺陷散射的影响,散射损耗大,实际传输长度远小于模式传输长度.研究表明:以能量高度束缚的基模表面等离子体作为载体,不仅可以实现低损耗传输,还可以减小集成器件之间的信号串扰,有效提高信息传输的安全性,在集成光学中具有重要应用.     

一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器

提出了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构,横向上采用U型微环结构,以聚酰亚胺(polyimide,PI)为感湿材料。根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数,外界环境的相对湿度变化引起聚酰亚胺的折射率变化,从而多层波导结构的有效折射率发生改变,导致传感器的输出光谱发生漂移。重点分析讨论了多层波导结构的传输特性以及感湿部位折射率的变化对输出光谱的影响。根据计算和仿真得出：当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时,传感器的输出光谱水平漂移量较大,自由光谱范围(FSR)加倍,达到128 nm,当外界环境相对湿度从10%RH变化到100%RH时,漂移量Δλ_m在0.005～0.038 μm之间变化,相比于其他湿度传感器,灵敏度提高了10～50倍,高达0.0005 μm/%RH,并且传输稳定。结果表明：设计的表面等离子微环传感器,灵敏度较好,性能稳定,可以应用于湿度测量,并且实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾大范围的滤波选频,为微型光学器件的制备提供了理论基础。     

测量金属膜粗糙度的表面等离子激元光谱方法

介绍了确定金属膜表面粗糙度的表面等离子激元光谱方法。测量了二种银膜在表面等离子激元激发条件下的光散射强度分布。通过与理论计算的拟合，得到了描写这二种银膜／空气同粗糙界面的特征参数。     

Bimetallic Silver-Gold Film Waveguide Surface Plasmon Resonance Sensor

It is desirable that a surface plasmon resonance (SPR) sensor is highly sensitive to binding interactions within the sensing region, generate evanescent fields with long penetration depths, and utilize a metal film that is very stable even in extreme environmental conditions. In this study, we present the first example of a wavelength-modulated waveguide SPR sensor with a bimetallic silver-gold film for surface plasmon excitation. The underlying silver yields better evanescent field enhancement of the sensing surface, while the overlying gold ensures that the stability of the metallic film is not compromised. It is shown experimentally that in terms of dλ/dn, the bimetallic film waveguide SPR configuration has a sensitivity of 1232 nm/RIU, greater than two times improvement from the 594 nm/RIU achievable with single gold film waveguide SPR sensor. The higher sensitivity, compact nature, and better evanescent field enhancement of this configuration provides the potential to biosensing applications.     

表面等离子体共振传感技术应用于小分子检测

人体内的生物小分子对维持生命体健康具有重要影响,此类分子参与生命体的血液循环及免疫系统,因此检测生命体中生物小分子对研究小分子在生命体中的生理功能有着重要的意义.傅里叶变换-表面等离子体共振(Fourier transform-surface plasmon resonance,FT-SPR)光谱技术具有操作简便、灵敏...     

银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元的耦合

利用传输矩阵研究了银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元(TPPs)的耦合态。我们的数值结果表明当光子晶体的周期数n10时,存在两本征波长相同的非耦合Tamm等离子体极化激元(非耦合TPPs),当n≤10时,两非耦合Tamm等离子体极化激元发生耦合,劈裂成两本征波长不同的耦合Tamm等离子体极化激元。随着n的减小,两耦合Tamm等离子体极化激元(耦合TPPs)间的劈裂能量增大,当n=3时,劈裂能量达到287.5meV。从银-光子晶体-银结构中的实时电场分布可以得到:本征波长较长的耦合TPP由两非耦合TPPs对称耦合产生,而本征波长较短的耦合TPP由两非耦合TPPs反对称耦合产生。     

Surface electromagnetic waves: A review

From the beginning of the 20th century, researchers have been interested in surface electromagnetic waves guided by planar interfaces of dissimilar mediums. Much initial research on surface‐plasmon waves and surface‐plasmon‐polariton waves stemmed from theoretical curiosity, but the development of new experimental techniques propelled commercial exploitation for optical sensors of chemical and biological species. Additional surface waves called Dyakonov waves, Tamm waves, and Dyakonov–Tamm waves have emerged during the last 25 years. Experimental observation of Dyakonov waves was reported only in 2009, but the rapid development of experimental apparatus during the 1990s suggests that theoretical predictions will soon be evaluated experimentally, leading to further development of optical detection systems and optical circuitry.     

不同密度银纳米粒子对氧化锌基发光二极管发光的增强

采用分子束外延法制备不同密度的银纳米粒子(AgNPs)修饰的局域表面等离子体共振增强n-ZnO/iZnO/MgO/p-GaN异质结发光二极管(LEDs),并对其电学及光学性质进行表征。结果显示:LEDs中引入适当浓度的AgNPs有利于AgNPs局域表面等离子体激元与ZnO激子相耦合,可以显著提高器件的电致发光性能;随着AgNPs浓度的增加,LEDs发光增强倍数先增大后减小,分析认为这是AgNPs局域表面等离子体共振耦合增强过程和AgNPs的消光过程两者之间相互博弈而导致的结果。     

表面等离子体激元共振溶胶-凝胶薄膜传感器

采用溶胶－凝胶金属氧化物半导体薄膜,作为表面等离子体激元共振效应的光化学传感器的传感介质。分析了金属Ag膜与传感薄膜的光学参数对传感器灵敏度的影响。通过在金属层与传感层之间优化设计中间层,进一步提高了传感器灵敏度。选择SnO2薄膜及SiO2薄膜作为传感层与中间层,对三种气体NH3、C2H5OH、C3H8进行气敏实验,结果表明结构优化的传感器具有更高的灵敏度。     

用扫描近场光学显微镜技术研究金膜表面等离体子共振

表面等离体子波(SPW)可与入射光横磁波极化能量耦合并被共振激发,这种现象被称为表面等离体子共振现象(SPR)。主要利用扫描近场光学显微镜(SNOM)技术和表面等离体子共振现象技术相结合,来研究金膜表面等离体子共振。设计并建立了结构独特的新型Kretschmann型表面等离体子共振现象耦合装置,同时又设计了具有厚度梯度的表面等离体子的制备方法。在此基础上,测量了改变入射角条件下的表面等离体子共振曲线,测得该装置的等离体子共振角灵敏度为1°。并且对金膜表面进行表面等离体子共振条件下的扫描近场光学显微成像。实验结果表明,在共振时金膜表面的扫描成像比不共振时清晰,而且增加了很多细节。应用表面等离体子共振现象技术将可以明显提高扫描近场光学显微镜的信噪比、分辨力等性能。     

基于光谱解调的对称波导型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振(SPR)传感系统有角度谱、光谱、强度、相位等解调方式,其中光谱型的(SPR)传感系统因可以使用光纤导光,将传感部分独立出来,可进行远距离传感和现场检测,并能有效缩小系统的体积。对称光波导型(SOW)SPR因金属膜层两边的折射率完全相同,表面等离子体波传播距离更长,穿透深度更深,比传统的SPR系统具有更高的灵敏度和分辨率。对对称波导型(SOW)SPR进行光谱解调研究,以MgF₂-Au-MgF₂结构的SOW-SPR为传感单元,同时以光纤输出的卤素灯为光源, 搭建了一套光谱解调的SOW-SPR检测系统,以不同浓度的葡萄糖溶液对系统折射率分辨率进行测量,得到2.8×10-7 RIU的分辨率。为SOW-SPR系统小型化、现场检测以及远距离探测提出一种可能实现的手段,具有很好的应用前景。     

镀银空芯光纤表面等离子体共振传感器的研究

提出了一种新型的基于镀银空芯光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器。建立了光学模型对传感器内的光传播进行分析,在理论上推导出了传输光谱公式。制作了不同银膜厚度的空芯光纤SPR传感器,搭建了实验系统对内芯充入不同折射率的液体介质的传感器传输光谱进行了测量,获得了相应的SPR光谱。通过理论计算和实验测量对传感器的灵敏度特性和测量准确性进行了分析讨论。结果表明该传感器是一种灵敏度较高的、能实时检测待测高折射率液体介质的SPR传感器,它在一定范围内能够很好地弥补传统光纤表面等离子体共振传感器的不足,并且开拓了空芯光纤的一个新的应用领域。     

基于表面等离子体共振原理的空芯光纤传感器

设计了一种基于表面等离子体共振原理,使用空芯光纤作为光波导、外表面镀金属膜的光学材料圆柱体作为探头的新型折射率传感器。通过建立光学模型进行分析,在理论上推导出了这种传感器的传输光谱损耗公式,并针对该传感器在不同的光纤长度、探头材料、检测物质折射率等参数设置下的检测性能进行了分析,获得了各种参数对其性能的影响。由于该传感器可针对不同折射率的检测物质灵活地更换合适探头材料,相对于传统的表面等离子体共振光纤传感器,在易用性和性价比等方面具有更好的应用价值。     

地表水微囊藻毒素的表面等离波子共振免疫检测方法研究

结合表面等离波子共振(SPR)技术与免疫检测技术,研究和建立了一种响应速度快、免标记、低成本的地表水微囊藻毒素(MC-LR)检测方法。基于SpreetaTM传感器构建了小型SPR免疫检测系统,采用共价偶联方法在传感器金膜表面修饰MC-LR-BSA抗原为生物敏感膜;开展了MC-LR的SPR免疫检测方法实验研究,结果表明该方法的相对标准偏差为1.0%(n=6),定量范围为2～32ng/mL,检测限为0.63ng/mL,半抑制浓度CI50为10.7ng/mL,空白加标回收率和样品加标回收率在90%～113%之间。实样检测实验中,管道末梢饮用自来水水样未能检测出MC-LR,而某湖水水样中MC-LR的质量浓度为2.46ng/mL。实验研究与结果表明,MC-LR的SPR免疫检测方法可以满足世界卫生组织(WHO)对于饮用水中MC-LR最低含量检测的需求。     

一种用于表面等离子体共振传感器的纳米多孔金膜

为了打破传统的表面等离子体共振(SPR)生物传感器灵敏度不高的限制,近年来纳米材料在SPR生物传感器中的运用得到广泛的研究。但是纳米材料的制备一般都比较困难而且费用高昂,这给研究带来了困难。笔者采用化学腐蚀法制备出一种纳米多孔金膜,利用扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对该金膜的结构和光学性质进行了分析,并将该金膜用于SPR生物传感器实验研究。结果表明,与传统的平面金膜相比,该纳米多孔金膜具有独特的局域表面等离子体共振效应。装配有该金膜的SPR生物传感器在对生物试剂的检测中灵敏度有了一定程度的提高,且该金膜的制备方法简单,成本低廉,完全可以替代传统的平面金膜使用。