基于双表面等离子激元吸收的纳米光刻

光刻技术(lithography)是微纳结构制备的关键技术之一.受限于光的衍射极限,传统光刻方法进一步缩小特征尺寸变得越来越难.表面等离子激元(surface plasmon polariton,SPP)作为光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式,具有波长短、场密度大、异常色散等特点,在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有重要的学术和实用价值.本文针对SPP在光刻胶中的非线性吸收及其在大视场纳米光刻中的应用进行了理论和实验探索.在回顾SPP概念的基础上,阐述了双SPP吸收的概念及其应用于纳米光刻的优势,明确了该效应具有与传统双光子吸收不同的内涵和特性.在800和400nm飞秒激光的作用下,实现了基于双SPP吸收效应的周期干涉条纹,同时验证了双SPP吸收的闽值效应,通过控制曝光计量实现了图形线宽的调控,最小线宽小于真空光波长的1/10.利用SPP波长短、场增强的特点,并结合非线性吸收的闽值效应,单次曝光区域比纳米图形尺度大4 5个数量级,曝光区域的直径可达1.6 mm.同时制备出较为复杂的同心圆环结构.基于双SPP吸收独有的特性以及SPP丰富的模式,有望进一步在大光刻视场、超小尺度图形光刻技术上获得突破.     

降低表面等离子激元寄生吸收损失的途径研究

从纳米Ag颗粒表面等离子激元光学及表面高能电场特性两方面入手,较为系统地研究了周围介质的导电特性对表面等离子激元的影响.通过对复合薄膜紫外-可见-近红外光谱及表面增强拉曼散射光谱的分析,指出绝缘性的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的表面电场定域效果,且不会引入附加的光吸收损失;而导电性的ITO薄膜则会引入表面价电子的溢出损失,加速了表面电场的衰逝,同时引起长波方向上显著的光吸收损失.研究还表明致密的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的屏蔽作用,且纳米Ag颗粒表面等离子激元特性仅受最近邻材料特性的影响.研究结果为在硅基薄膜太阳电池中实现对纳米Ag颗粒的阻挡、寄生光吸收损失的降低以及表面高能电场的利用,提供了一条有效的解决途径.     

光声方法研究表面等离子激元衰减

本文用衰减全反射(ATR)和光声(PA)方法研究表而等离子激元(surface plasmons)的衰减,分别对Ag-空气界面和CaF_2-Ag-空气界面进行衰减全反射谱和光声光谱测定.测量结果确定两种衰减方式,辐射和无辐射定量结果,并且发现表面粗糙度对衰减方式有影响.     

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。     

周期条状结构中长程表面等离子激元噪声特性分析(英文)

基于表面等离子激元自发辐射放大噪声系数理论,研究了长程表面等离子激元噪声系数变化规律,设计了嵌有金属条的长程表面等离子结构.数值模拟得到表面等离子及周期条状长程表面等离子的噪声系数变化规律.给出入射波长从0.5μm到1.75μm,每隔0.25μm的噪声特性,发现随着波长的增加噪声系数趋近于常数.仿真结果表明:表面等离子及长程表面等离子自发辐射放大的噪声系数随着增益介质增大而明显增强;周期条状长程表面等离子结构中,随着金属膜厚度以及金属条高度及个数增加导致噪声系数增加,其中金属膜厚度对于其作用较明显.     

表面等离子体无掩膜干涉光刻系统的数值分析

表面等离子体激元具有近场增强效应,可以代替光子作为曝光源形成纳米级特征尺寸的图像.本文数值分析了棱镜辅助表面等离子体干涉系统的参量空间,并给出了计算原理和方法.结果表明,适当地选择高折射率棱镜、低银层厚度、入射波长和光刻胶折射率,可以获得高曝光度、高对比度的干涉图像.入射波长为431 nm时,选择40 nm厚的银层,曝光深度可达200 nm,条纹周期为110 nm.数值分析结果为实验的安排提供了理论支持.     

表面等离子激元调制的亚波长束斑半导体激光器

近场有源探针可以解决近场光学扫描显微镜等应用中对高亮度和高光功率的需求.提出一种制备具有表面等离子激元结构的微纳束斑的半导体激光器的设计方案.模拟分析表明,此激光器在3.5 μm的远场仍然可以获得小于波长的束斑,并且其输出功率密度与没有表面激元结构的激光器比较提高近30倍.     

表面等离子激元非线性表面增强拉曼散射效应

本文采用热蒸发法制备得到纳米Ag颗粒作为增强拉曼衬底, 利用入射光子与纳米颗粒表面价电子的相互作用机理, 激发出高能表面等离子激元, 其表面等离子形成的高能"热点"起到表面增强拉曼散射效果. 通过比较不同入射光强下的拉曼峰强, 指出纳米Ag颗粒的增强拉曼散射效果可以实现低探测光强下的高散射强度, 即纳米Ag颗粒的表面等离子激元具有非线性的表面增强拉曼散射效果, 可降低对样品的光、热损伤, 以利于拓展拉曼散射光谱的应用范围. 同时比较不同纳米Ag颗粒衬底的表面增强拉曼散射效果表明, 采用的热蒸发工艺具有较大的工艺域度, 具有较强的工艺兼容性.     

基于厚金属狭缝阵列的表面等离子激元光刻

提出一种利用厚金属狭缝阵列耦合激发表面等离子激元制作非周期图形的纳米光刻模型.采用时域有限差分电磁场模拟仿真软件研究了厚金属狭缝阵列中表面等离子激元的激发、模式选择以及光刻胶中的光场分布.结果表明,通过优化厚金属狭缝阵列结构参量和匹配介质参量可有效抑制表面等离子激元在光栅狭缝出口处的发散,增加表面等离子激元的穿透深度,可获得高分辨率的较大曝光深度的周期和非周期纳米图形,可为纳米激光直写技术提供有益的借鉴.     

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。     

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。     

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.     

金属异质波导阵列中的表面等离激元传播特性

提出了一种新的一维金属异质波导阵列的设计方案,即波导芯区周期调制的金属波导阵列.数值模拟的结果表明,金属波导芯区的周期调制引起波导中传播的表面等离激元有效折射率的周期调制,从而可在特定的波段打开一个表面等离激元带隙(如1550nm附近).通过引入合适的缺陷波导单元,可获得特定波长的高品质因子(Q=556)的表面电磁模共振.这一结果可用于设计亚波长的布拉格反射器、光发射器、滤波器等,有可能被用于未来的集成光路.     

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.     

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.     

Gaussian Beams of Gravitational Wave

The standard and high-order Gaussian beam solutions for gravitational wave is obtained in the linear approximation of vacuum Einstein equation under harmonic conditions.     

Gaussian Beams of Gravitational Wave

The standard and high-order Gaussian beam solutions for gravitational wave is obtained in the linear approximation of vacuum Einstein equation under harmonic conditions.     

表面等离子激元与F-P共振耦合平衡钙钛矿太阳能电池有源层内载流子产生速率

为提高有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）光吸收效率、平衡有源层中载流子产生速率,将周期性纳米光栅结构引入到PSCs器件结构中。分析了光栅周期、光栅高度和有源层厚度对表面等离子激元（SPPs）与法布里-珀罗（F-P）共振耦合模式的影响。通过改变光栅周期,实现了SPPs与F-P共振耦合波长范围与钙钛矿材料的弱吸收光谱区域相重合,同时光栅高度的增加可以增大耦合模式的光谱宽度。SPPs与F-P共振耦合模式实现了金属电极与电子传输层（ETL）界面处的局域电场增强。结果表明:场增强效应扩展到有源区,有效提高了PSCs有源层远入射光侧在570~800 nm波长范围内的光吸收,进而提高了有源层远入射光区域的载流子产生速率。当光栅周期为250 nm、光栅高度为50 nm、源层厚度为300 nm时,PSCs在太阳光弱吸收光谱区域内的本征吸收提高了~12%,有源层远入射光侧载流子产生速率提高了~41%。     

三层不对称人工电磁材料界面处表面等离子体激元的理论研究

从P和S偏振出发.研究了由常规材料/左手材料/负介电常数材料、及常规材料/左手材料/负磁导率材料这两种三层不对称结构界面上表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)的存在区域、色散曲线及其激发.观察到表面等离子体激元的性质强烈地依赖于人工电磁材料的组成参量,例如介质板的厚度和等离子体的频率.最后,使用衰减全反射(Attenuated total reflection,ATR)技术,探究了激发和观察表面等离子体激元的可能性.并针对P和s偏振两种情况计算了衰减全反射光谱.