非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡.当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性.利用该电磁场模式和光谱特性,能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数,在微纳尺度上实现光谱学...     

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。     

金银三层纳米管局域表面等离激元共振特性研究

相对于单一金属纳米材料,二金属复合纳米材料具有更大的潜在应用价值.基于时域有限差分方法,研究了SiO₂-Ag-Au和SiO₂-Au-Ag二金属三层纳米管的消光光谱,并对其局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性进行了分析.研究发现,内核尺寸变大将导致上述两种金属纳米管LSPR峰红移;内层金属及外层金属壳层厚度增大均会导致其LSPR峰蓝移.银壳厚度变化对纳米管LSPR的调制作用大于金壳厚度变化造成的影响.上述现象可以利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子变化的竞争机制进行分析.     

椭圆截面金纳米管的局域表面等离激元共振特性研究

基于时域有限差分方法研究了几何形状、入射电场偏振方向、管壁厚度及内核和包埋介质的变化对椭圆截面金纳米管局域表面等离激元共振特性的影响.研究发现,当长轴固定时,短轴的减小将导致纳米管消光峰红移;入射电场偏振方向与椭圆长轴夹角的增大将导致消光峰红移;当颗粒整体尺寸不变时,管壁厚度减小同样会使得消光峰红移.此外,内核及包埋介质介电常数的增大均导致消光峰红移.利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子竞争机理对上述现象进行了理论分析. 关键词： 消光光谱 局域表面等离激元共振 金纳米管 时域有限差分方法     

表面等离激元与磁表面等离激元

金属微纳结构体系中的表面等离激元以及磁表面等离激元因其独特的光学特性吸引了研究者们的极大兴趣,成为当前的热点研究领域之一.文章对表面等离激元尤其是磁表面等离激元的特点、基本现象、新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍.     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

基于表面等离激元谐振腔的窄谱增强传感器

表面等离激元是一种局域在金属和介质之间的电磁波,与金属表面自由电子的集体振荡有关,具有高度局域和近场增强的特性.为此,利用表面等离激元谐振腔对红外窄谱增强成像设备进行设计,单个纳米等离激元谐振腔由两片金属银层构成.模拟结果表明,该纳米等离激元谐振腔在红外波段起到窄谱吸收的作用,在纳米等离激元谐振腔中,吸收波段得到较大的...     

表面等离激元增强型光电探测器研究进展

光电探测器可以实现光信号到电信号的转换,在工业、军事、医疗等领域已展现出巨大的应用价值。但是,传统的平直型光电探测器捕获线光的能力较弱,一定程度上限制了响应率等性能指标的进一步提高。而基于贵金属纳米结构的表面等离激元共振可以急剧增强近场区域的(纳米尺度)电场强度和对线光的捕获能力,大幅度地提高光电探测器性能。本文首先介绍了表面等离激元的基本原理。随后,详细介绍了金属纳米颗粒、金属光栅等不同结构的表面等离激元增强型光电探测器研究进展。最后,总结全文并针对表面等离激元增强型光电探测器的发展前景做出了展望。     

基于表面等离激元的金属波导全光开关设计

利用金属表面等离激元(SPP)对光波的束缚和局域增强作用,设计了一种基于金属-电介质-金属波导布拉格光栅的全光开关。根据波导的电介质材料及其结构对有效折射率的调制作用,确定了开关各结构组成部分的材料和尺寸。通过引入金属波导滤波结构对抽运光和信号光进行了有效地分离,防止了抽运光对信号光及后续光路的干扰。使用时域有限差分算法(FDTD)对开关性能进行仿真,结果表明:新设计的全光开关在抽运光的光强为50 MW/cm2时其消光比达到7.32 d B,开关响应时间小于2 ps,结构的横向尺寸约为400 nm。     

Otto结构加载MIM波导的表面等离子激元传输与衰减特性

设计了加载MIM波导的Otto结构研究SPPs的传输和衰减特性,应用球面EM场的解法求解了整个介质区域的本征函数的特征值。对SiO₂厚度分别为750 nm和1 500 nm的设计结构进行了仿真,结果表明:750 nm改进结构的TM₀传播常数达到了1.541,衰减系数仅仅为2.80;随着SiO₂层介质厚度的减小,反射系数随之增大,且不同金属介电常数的谐振方向变化趋势一致;随着腔厚度的减小,在反射相位减少的同时其存储能量也随之减少。     

基于表面等等离波子的新型Y分支波导

新型高效的纳米光波导器件的研制纳米集成光学的核心技术之一。Y分支波导作为最基本的分光和光路连接元件是纳米光学器件设计与制备的基础。运用时域有限差分(FDTD)法,模拟计算了基于表面等等离波子(SPP)的纳米Y分支波导的传输特性。结果表明,该新型Y分支波导在光通信波段可以实现大角度的分光功能,且在180°分支情况下,传输效率仍高达92.8%以上。另外,该波导还具有导波性能良好、对分叉处间隙缺陷大小不敏感及制作容差较大和器件尺寸在纳米量级等特点。对该新型光波导器件的研究为未来纳米集成光学器件的研制和应用有一定的指导意义。     

Duality of Spoof Surface Plasmon Polaritons on the Complementary Structures of Ultrathin Metal Films

Complementary metal structures manifest a remarkable scattering feature, known as Babinet's principle. Meanwhile, for surface modes confined to one or two dimensions, the relation between the modes on complementary structures has not been thoroughly studied. Here, spoof surface plasmon polaritons supported on complementary metal films are systematically investigated. The duality of electromagnetism guarantees that these surface modes on complementary metal films possess precisely the same dispersion regardless of the geometry of the grooves, which is confirmed by both numerical simulations and experimental measurements. This work may open another avenue for spoof surface plasmon polaritons in both the theoretical and practical aspects.     

干涉高斯光诱导的表面等离子激元驻波场的分析

考虑到实际入射光强的空间分布不均匀,基于Kretschmann模型并采用角谱方法分析模拟了两束高斯光干涉诱导表面等离子激元(SPP)驻波场。与理想平面波不同,高斯光诱导的SPP干涉条纹幅值大小不等,分布复杂,这表明光强空间非均匀程度会严重地影响到曝光深度的分布。还分析了金属薄膜的厚度、损耗以及光刻胶的介电常数对SPP驻波场的影响,并得出不恰当的金属板厚和细微损耗都会极大削弱SPP驻波场,而如果光刻胶的介电常数过大则有可能产生不了表面等离子体共振的结论。     

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式|层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多|在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1~2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

电子激励表面等离极化激元的粒子模拟

采用极化电流微分方程,对贵金属中自由电子与外电场的共振过程进行描述。将该微分方程与麦克斯韦方程相结合,运用时域有限差分(FDTD)方法,在粒子PIC模拟软件CHIPIC3D的基础上,实现了电子激励表面等离极化激元(SPPs)的模拟。通过对100 keV电子平行于银薄膜表面运动、激励起表面等离极化激元的模拟,观测并分析了SPPs的场强及模式在银薄膜表面的分布,并验证了模拟结果的正确性。     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

Focusing performance of small f-number metallic lens with depth-modulated slits

This paper studies a small f-number metallic lens with depth-modulated slits.Slits filled with dielectric between silver plates are designed to produce desired optical phase retardations based on the particular propagation properties of surface plasmon polaritons in nanostructures.Numerical simulation of this structure is performed through the finitedifference time-domain method.Different from the conventional dielectric lens,the metallic lens can be used as a pure phase element without energy loss brought by the light refraction at curved surfaces and total internal reflection.The focusing performance is consequently improved,with larger diffraction efficiency than that of the same shaped dielectric lens.     

基于表面等离子激元的双金属光栅结构提高LED光提取效率的研究

为了提高GaN基LED的光提取效率,构建了一种在金属银膜上下表面分别刻蚀光栅结构的双光栅LED模型。利用时域有限差分法（FDTD）进行数值模拟,比较了无银膜、无光栅、单光栅、双光栅模型下LED的光提取效率。结果表明：在光栅周期为300 nm,占空比为0.23,银膜厚度为30 nm,光源深度为150 nm时,光提取效率较单光栅结构提高了6倍,较无光栅结构提高了16倍。