二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

基于LabVIEW的表面等离激元共振测量液体折射率

利用LabVIEW编写硬件控制软件,搭建了基于表面等离激元共振原理的光强探测型液体折射率测量实验平台.实验测量纯水和纯酒精的表面等离激元共振的共振角分别与理论计算数据相吻合,证明该系统测量的共振角数值能正确地反映液体折射率的变化.利用该系统测量了不同浓度的酒精-水混合液的折射率.     

一维金属光栅的光学反射吸收

利用RCWA(rigid coupled-wave analysis)方法研究了一维金属光栅的反射特性,考察了 瑞利反常、表面等离激元驻波共振和几何共振三种共振吸收机理,分析了这三种机理的相互作用,如表面等离激元驻波共振和几何共振可以形成混合模式. 在反射式复合金属光栅中,确认了第四种共振形式,即相位共振. 数值计算表明相位共振对光学吸收的影响有两种形式: 当光栅周期大于一个波长时,相位共振导致尖锐的吸收峰,峰位在几何共振吸收峰一侧;当光栅周期小于一个波长时,相位共振导致混合模式的共振吸收峰发生劈裂. 对一维金属光栅反射特性的研究增加了对金属光栅共振吸收模式及其相互作用的认识. 关键词： 一维金属光栅 瑞利反常 表面等离激元 相位共振     

基于COMSOL Multiphysics对Cu2S量子点的表面等离激元共振模拟研究

Cu₂S量子点作为一种新型半导体纳米材料以其特有的化学及光学性质而越来越被人们所关注. 本文通过应用COMSOL Multiphysics4.2a这一基于有限元法的模拟软件, 运用其中的电磁波模块, 结合Maxwell电磁波理论对影响Cu₂S量子点产生表 面等离激元共振的条件做出了模拟分析, 运用Kretschmann棱镜耦合系统建立了理论模型, 通过改变量子点的粒径、有机溶剂的折射率、入射光的波长以及对量子点进行包裹等方式, 模拟出在不同条件下Cu₂S量子点产生表面等离激元共振信号的情况, 为Cu₂S量子点在表面等离激元共振传感中的实际应用提供了理论依据和参考. 关键词： COMSOL Multiphysics 2S量子点')" href="#">Cu₂S量子点 表面等离激元共振 有限元法     

基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展

电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要,长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一.本文简略回顾了传统的减反的理论与方法;侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展,主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光耦合,传播表面等离激元局域共振模式诱导高透隧穿,超构材料诱导金属透明,人工微结构超表面红外、太赫兹减反等若干典型工作;探讨了亚波长人工微结构光学减反领域未来的发展方向与其所可能遇到的问题挑战.     

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研究了在三开口劈裂金属纳米环中,当入射场偏振方向不同时出现的多极局域表面等离激元共振现象及折射率传感特性。研究表明,当入射场偏振方向分别沿x 轴和y 轴时,在可见光-近红外区域分别激发起两个和三个明显的共振峰。通过改变缺口的张角,能够实现对共振峰位和强度的可控调整。共振峰位处劈裂纳米环的近场分布表明,LHA(左半弧)和DRHA(双右半弧)之间等离激元的杂化耦合是形成上述共振的原因。劈裂纳米环的多极共振非常适合折射率传感应用。当改变周围环境折射率,入射场沿x 轴偏振时,折射率敏感度的最大值可达到1365nm/RIU;入射场沿y 轴偏振时,折射率敏感度最大值可达2229nm/RIU。     

表面等离激元共振生物传感分析及应用

基于物理中发生在金属表面的表面等离激元现象 ,阐述表面等离激元共振生物传感分析原理 ;进而建立表面等离激元共振生物传感成像。给出应用表面等离激元共振研究生物单元相互作用的实例。     

多圆孔周期性银膜阵列结构的光学特性

提出一种多圆孔周期性银膜阵列结构,并利用时域有限差分算法探究该结构的光学特性。计算结果表明,当线性偏振光入射时,该结构表面激发出表面等离激元,且纳米孔间产生了局部表面等离子体共振,使得该结构的异常透射增强。针对这一现象,通过对中心孔与边孔所呈角度、入射光偏振角度、结构参数(中心孔直径、边孔直径、结构厚度、边孔与中心孔的间距)的调控来实现结构光学透射属性的优化。此外,分析所提结构在不同环境折射率条件下透射峰的变化规律,发现该结构也对周围的环境折射率具有较高的敏感度。因此该结构在表面等离激元滤波器和折射率传感器中具有广泛的应用前景。     

基于等离激元法布里-珀罗腔折射率测量的实验设计

利用自下而上的纳米加工工艺,制备了一种由银纳米线对和金膜构成的等离激元法布里珀罗(F-P)腔。暗场散射光谱和数值模拟表明,金膜表面传输的表面等离激元经银纳米线对的多次反射下,会在腔内形成驻波现象,并在散射光谱中呈现出多光束干涉调制的光谱线型。利用这一原理设计一个折射率测量实验,通过测量不同浓度甘油溶液的折射率,得到了F-P腔共振波长随溶液折射率增大的线性红移规律。进而通过调谐F-P腔的长度,得到该F-P腔最高的探测灵敏度为555 nm/RIU。     

基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用

本文研究了由超表面-介质间隔层-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)构成的等离激元微腔结构中的Tamm等离激元及其与激子间的相互作用.利用超表面中的结构参数变化能够调控光在其表面的反射位相这一特性,可以在微腔结构的介质间隔层厚度保持不变时,通过调节超表面的结构参数来调控微腔结构所支持的Tamm等离激元模式的共振位置,从而为Tamm等离激元模式的调控提供更多自由度.相比于传统金属薄膜-介质间隔层-DBR结构,我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控可以使超表面-介质间隔层-DBR结构在更小的间隔层厚度下支持共振在相同波长处的Tamm等离激元模式.此外,结合超表面对场的局域特性,可以有效地降低Tamm等离激元模式体积.在此基础上,对比研究了传统的和基于超表面的Tamm等离激元与单层二硫化钨(WS2)的相互作用,发现基于超表面的Tamm等离激元可以产生更强的光子与激子的强耦合作用,获得更大的拉比(Rabi)劈裂.     

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟（InP）晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

磷化铟（InP）属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能,在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内,在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围（0.5～18 THz）内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生,使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能,明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制,太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟,同时振幅会降低。另外,太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光,在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低,特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定,与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。     

Nanofocusing of terahertz wave on conical metal wire waveguides

The nanofocusing of the terahertz (THz) radiation energy is studied. By using a conical metal nanowire waveguide, we focus the energy of the terahertz surface plasmon polaritons (THz SPPs) to several nanometers’ scale. Another interesting property of the THz SPPs propagation on the waveguide is that the peak electric field at the waveguide tip enhances many times. What is more, both the phase velocity and the attenuation coefficient versus the wire radius are obtained. The terahertz energy nanofocusing opens the way to observe terahertz propagating and imaging on the nanoscale.     

太赫兹波发射晶体的亚波长微棱锥增透结构的设计与实验研究

光学整流方法产生太赫兹(THz)辐射常用的非线性发射晶体在THz波段都具有较高的折射率, 使得很大一部分THz波由于晶体表面的菲涅尔反射而无法有效耦合输出. 本文报道了GaP晶体THz波发射器输出表面上亚波长微棱锥增透结构的设计和实验研究. 利用有效介质模型在理论上验证了亚波长光栅结构的增透效果, 并进一步设计了适用于不同频段的增透结构的参数. 实验中, 通过微机械加工手段在GaP晶体输出端面刻划了多种亚波长微棱锥结构, 验证了其增透效果及参数对增透频带的关系. 理论与实验的符合证明该设计思想也可用于其他THz波发射晶体. 关键词： THz波 光学整流 亚波长微棱锥增透结构 微加工     

Mechanically tunable metamaterials terahertz dual-band bandstop filter

We experimentally demonstrate a mechanically tunable metamaterials terahertz(THz) dual-band bandstop filter. The unit cell of the filter contains an inner aluminum circle and an outside aluminum Ohm-ring on high resistance silicon substrate. The performance of the filter is simulated by finite-integration-time-domain(FITD) method. The sample is fabricated using a surface micromachining process and experimentally demonstrated using a THz time-domain-spectroscopy(TDS) system. The results show that, when the incident THz wave is polarized in y-axis, the filter has two intensive absorption peaks locating at 0.71 THz and 1.13 THz, respectively. The position of the high-frequency absorption peak and the amplitude of the low-frequency absorption peak can be simultaneously tuned by rotating the sample along its normal axis.The tunability of the high-frequency absorption peak is due to the shift of resonance frequency of two electrical dipoles,and that of the low-frequency absorption peak results from the effect of rotationally induced transparent. This tunable filter is very useful for switch, manipulation, and frequency selective detection of THz beam.     

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.     

Optical control over surface-plasmon-polariton-assisted THz transmission through a slit aperture

We demonstrate optical control over the transmission of terahertz (THz) radiation through a single subwavelength slit in an otherwise opaque silicon wafer. The addition of periodic corrugation on each side of the wafer allows coupling to surface plasmon polaritons, so that light not impinging directly on the slit can contribute to the transmission. A significant enhancement of the THz transmission can be achieved through control of the surface wave propagation length by excitation at optical wavelengths. The observed transmission increase is in distinct contrast to the reduction reported for photoexcitation of arrays of holes in semiconductors.     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

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.     

基于太赫兹光谱技术的光学系统设计及应用

太赫兹脉冲信号在频域上具有“指纹频谱”特性,利用该性质可以对物质进行定性分析。借助Zemax软件的光学分析与优化功能,设计了二次非球面TPX平凸透镜,提高了透镜对太赫兹波束的聚集能力;采用平凸透镜设计了太赫兹波束整形光学系统,并将该光学系统用于太赫兹时域光谱系统中,对盐酸莫西沙星和左氧氟沙星进行太赫兹光谱测试,经过算法处理后得到二者在频域上的吸收系数与折射率曲线。测试结果表明:左氧氟沙星的折射率在0.1 THz～3.5 THz波段要比盐酸莫西沙星高,但是盐酸莫西沙星的折射率变化更加平缓;盐酸莫西沙星在1.03 THz、1.92 THz、2.58 THz、2.84 THz处具有明显的吸收峰,左氧氟沙星在1.35 THz、1.96 THz、2.52 THz、2.73 THz处具有明显的吸收峰。     

Four-step pulses of fractional-order surface plasmons

The 0-order transmission of a 1D metallic grating, on a high-resistivity silicon wafer in optical contact with a silicon plate, has been characterized by terahertz time-domain spectroscopy with subpicosecond resolution over a 400 ps scan range. Two new long-time-delay, powerful pulses are observed after the second reflected pulse. In the frequency domain, these two strong and fast-ringing structures correspond to the bandwidth ranges between the [0, 1] and [0, 2] surface plasmon modes and the range above [0, 2], respectively. A physical optics ray analysis provides an intuitive understanding of these new four-step (reflection, diffraction, total reflection, and diffraction) pulses, caused by fractional-order surface plasmon type beam coupling.