基于多孔氧化铝和单原子沉积技术的颜色调控方法研究

本文通过建立多孔氧化铝(porous alumina,PA)的物理模型及理论分析,提出与发展了一种基于PA和单原子沉积(atomic layer deposition,ALD)技术的颜色调控新方法.以实验制备的PA样品为原型,对孔径相同、孔中心距相同但孔深不同的一系列PA模板进行了颜色调控的仿真,揭示了调控色随孔深变化的规律;通过控制在草酸溶液中的阳极氧化时间,实验制备出平均孔径40 nm、平均孔中心距100 nm、孔深分别为296 nm和373 nm的两个PA样品;之后采用ALD技术在它们表面均沉积一层 关键词： 多孔氧化铝 颜色调控 单原子沉积     

利用动态微纳结构调控颜色方法的仿真研究

随着微纳米技术的进步,利用人工制备的微纳米结构实现颜色的呈现成为了可能,开辟了无油墨印刷的新思路,“结构色”的研究迅速成为该领域的焦点。提出了一种基于动态周期性微纳结构阵列的颜色调控新方法。设计在周期性微结构阵列中,填充一定厚度的功能材料薄膜,通过实时控制功能材料的外部电压,精确调控微结构上下表面的高度差,以实现在同一器件表面不同预期颜色的呈现和切换。建立了微结构的物理模型,并用时域有限差分方法(finite difference time domain,FDTD)进行了仿真研究,光源采用垂直入射的线偏振光,对微纳结构阵列上下表面高度差及结构周期进行了参数扫描,获得了系列反射光谱,并用光谱功率积分的方法计算得到了相应的颜色系列,直观地标注在CIE1931颜色空间色品图上。仿真结果表明,当微纳结构阵列周期在100~300 nm范围内时,通过调节电压改变填充的功能材料的高度,可实现全光谱范围的颜色动态调控,且反射光谱的相对峰值强度在60%左右,效率可观。该方法原理新颖,为研制动态颜色调控微器件提供了理论基础,有望在无油墨印刷、显示技术等领域获得广泛应用。     

Al纳米颗粒表面等离激元对ZnO光致发光增强的研究

基于聚苯乙烯球自组装法,在P型氮化镓(P-GaN)衬底上制备了有序致密的掩模板;采用热蒸发法在该模板上沉积金属Al薄膜,通过甲苯溶液去除聚苯乙烯球,得到了金属Al纳米颗粒阵列;采用原子层沉积法,在Al纳米颗粒阵列表面依次沉积氧化铝(Al_2O_3)和氧化锌(ZnO).通过测试Al纳米颗粒阵列的消光谱以及ZnO薄膜的光致发光谱,研究了Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO薄膜激子之间的耦合效应.实验结果表明:引入Al纳米颗粒后,在约380 nm位置附近的ZnO近带边发光峰积分强度增强了1.91倍.对Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光的机理进行探讨.     

介电常数近零模式与表面等离激元模式耦合实现宽带光吸收

介电常数为零或近零模式在微纳结构中提供了一个新的方式调控光与物质的相互作用.本文首先利用金属圆盘阵列结构激发了表面等离激元共振,在共振频率处实现了光的局域效果;然后通过在金属-绝缘体-金属超表面微纳结构中加入掺杂半导体材料,利用上层金属圆盘阵列激发的表面等离激元共振诱导介电常数近零模式的产生,从而使得介电常数近零模式与表面等离激元模式发生耦合,在中红外波段实现了一个470 nm的宽带吸收效果;数值模拟结果显示,在宽带吸收处存在光场的强局域效果.与窄带吸收相比,宽带吸收有更广泛的应用,比如吸收器、传感器、滤波器、微测辐射热计、光电探测器、相干热发射器、太阳能电池、指纹识别和能量收集装置等.     

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.     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

基于傅里叶变换光学系统的动态多光束干涉光刻

变参量微纳结构在二维平面内交叉、分段排布可以实现超表面器件的多路复用和多功能集成。为实现交叉、分段变参量微纳结构的干涉制备,提出了孔径光阑与相位元件联合调制的傅里叶变换光学系统。利用透镜的傅里叶变换特性和相位元件衍射光线的几何传播特性,阐明了傅里叶成像面上交叉、分段分布的多干涉光场的生成方法与调控规律。同时,针对目标分布的变参量微纳结构,反演设计了多像素孔径光阑与基于光栅和变参量光栅的相位元件,实验获得了交叉、分段分布的多干涉光场。将多干涉光场与微缩投影结合可制备分段排布的纳米光栅。将动态调控的多干涉光场分时复用可制备分段排布的变参量纳米光栅。     

飞秒激光诱导自组织纳米周期结构及其光学特性的研究进展

飞秒激光具有超快、超强的特点.飞秒激光微纳加工发展非常迅速. 本文综述了近十年来利用飞秒激光在金属、半导体、介质等各类材料中制备的纳米周期结构, 阐述了若干关于飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机理的观点.讨论了基于偏振调制的多光束 干涉在半导体表面制备纳米周期结构,简要叙述了周期结构对材料光学特性的影响. 关键词： 飞秒激光 纳米周期结构 多光束干涉 光学特性     

超快激光对涂有量子点玻璃表面的微构造

基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明,出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。     

利用纳米球提高红外波长上转换探测器效率

在红外波长上转换探测器氮化硅(SiN_x)钝化层制作单层六角密排的二氧化硅(SiO_2)纳米球阵列,以提高红外波长上转换探测器的整体效率.采用自组装的方法在器件钝化层上制备了直径分别约为300,450,750和1000 nm的SiO_2纳米球,并与无表面微纳结构器件进行对比测试.结果表明:钝化层附着SiO_2纳米球能有效地提高红外波长上转换器的光提取效率;当SiO_2纳米球直径为750 nm时的光提取效率最优,是无表面微纳结构器件的2.6倍,可实现低成本制作高效率红外波长上转换探测器.     

Spectral Based Estimation of Optical Path Difference of Interference Colors

A spectral intensity distribution of interference colors which is a function of optical path difference (OPD) is represented as a pattern vector on a subspace. A new algorithm to design a color scale on the subspace to estimate OPD values is proposed. In experiments, interference colors generated by a differential interference microscope (DIM) were examined. A subspace spanned by four orthogonal bases was constructed to make a color scale to determine OPD values in the range between 0 nm and 1000 nm. Estimated OPD values almost coincided with these expected. In an experiment on two-dimensional interference colors obtained by a spherical surface of a ballbearing observed by DIM, the resultant OPD distribution coincided well with that expected within a standard deviation of 12.8 nm.     

Wide range bilayer aluminum nanowire grating sensors with robust reflective peaks

A grating-coupled surface plasmon resonance sensor based on bilayer aluminum nanowire arrays is fabricated by laser interference lithography. The device presents impressive reflective sharp peaks by lateral surface plasmon resonances even for aluminum thicknesses of merely several nanometers. Distinct reflective peaks and dramatic color shifts under different analytes are observed within a wide range of incident angle, metal thickness, and refractive index. The sensitivity of 307 nm per refractive index unit is experimentally obtained.The reflective-peak-type surface plasmon resonance sensors are suitable for practical applications because of easy fabrication, low cost, wide range, and high signal visibility.     

Microstructures and Optical Properties of Scales of Butterfly Wings

This paper describes the mechanism generating the beautiful wing colors of various male butterflies and the relationship between the wing material and the color appearance. The microstructure of the scales covering the upper surface of the wings was analyzed with the aid of a scanning electron microscope. The basic mechanism of color generation of structurally colored scales is determined for the first time in accordance with the theory of optical interference in thin film layers using a model of wing scales. Optical properties were found in relation to the three-dimensional spectral reflectance of the samples, and differences were observed between the brightness perceived in subjective evaluations and calculated values based on the reflective spectra of the structurally colored wings. The results of this study suggest that the microroughness of the upper wing surface may influence the perceived gloss of structurally colored wings.     

Synchrotron radiation interference in front of the silicon absorption edge for silicon-on-insulator structures

The synchrotron radiation (SR) interference phenomenon has been for the first time observed in a strained silicon nanolayer deposited on a dielectric SiO₂ layer (∼150 nm) on Si (100) single crystalline substrates (silicon-on-insulator (SOI) structures). Strong oscillations of spectra intensity depending on photon energy have been detected in the energy range preceding the elementary silicon Si L _2,3 absorption edge (≤100 eV) at grazing angles of SR smaller than 21° in the X-ray photoeffect quantum yield structure. The phase of the spectra oscillation structure is reversed for small variations of grazing angle in the 4°–21° range. The silicon nanolayer thickness (∼180 nm) has been estimated in the three-layer, Si nanolayer-SiO₂-Si substrate structure with the use of neighbor maxima positions of ultrasoft X-ray radiation interference in XANES (X-ray absorption near edge structure) spectra. A decrease in the crystal lattice parameter of a strained silicon layer along the normal to substrate has been determined by X-ray diffraction. An increase in the Si-Si interatomic distances in the strained silicon nanolayer lattice of SOI structure has been found using ultrasoft X-ray emission spectroscopy data.     

Fabrication and characterization of three-dimensional metallodielectric photonic crystals for infrared spectral region

We propose a technique for the realization of three-dimensional metallodielectric photonic crystals based on fabricating polymeric structures using the interference lithography followed by the magnetron deposition of a gold nanolayer. The infrared reflectance spectra of the fabricated photonic crystals are studied. The spectrometry and finite-difference time-domain modeling data show that there is a photonic band gap centered at the wavelength approximately equal to the photonic crystal period.     

基于色彩恒常性的敦煌典型色彩光谱样本集构建方法

该研究目的为提出一种面向我国各类文物体系的典型色彩光谱样本集构建方法。以具有1700多年历史的世界级佛教艺术文化遗产敦煌莫高窟壁画彩绘为典型研究对象,以保证文物色彩传递过程中的色彩恒常性为主要创新,最终从视觉感知角度提出基于色彩恒常性的敦煌典型色彩光谱样本集构建方法。在具体实施过程中,在敦煌研究院美术所及保护所工作人员的配合与指导下,结合现有敦煌学研究成果,研究选取了48类敦煌典型颜料并设计制备了240个代表性色彩样本。利用分光光度计获取其在360～750 nm范围内反射光谱信息,通过聚类分析法对原始色彩光谱样本集进行分类,以6类典型光源场景条件下色彩易变性指数(color inconstancy index)的综合量值为依据,结合Wilcoxon符号秩检验,确定分类数量及各子类的代表性样本,初步构建光谱样本集。随后,从色域完整性角度对初步建立的样本集进行补充,最终构建由100个样本组成的全色域光谱数据集。分析结果显示,该样本集在99%置信条件下的色彩易变性指数可低至3.28,且均匀分布于敦煌色彩体系的整个色域,因而可以为敦煌色彩再现过程中合理的选用具有高恒常性水平的色彩提供数据参考及方法依据。     

常用合成食品色素荧光光谱研究

分析合成食品色素的分子结构特点,根据荧光与分子结构的关系,理论上推断合成食品色素是荧光物质。应用SP-2558多功能光谱测量系统,测得胭脂红、苋菜红、柠檬黄、日落黄、亮蓝等五种最常用的合成食品色素标准溶液的三维荧光光谱。结果表明,胭脂红在波长330～430 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为621 nm,最佳激发波长为376 nm;苋菜红在波长300～440 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为643 nm,最佳激发波长为370 nm;柠檬黄在波长280～380 nm的光激发下,产生很强荧光,荧光峰值波长为565 nm,最佳激发波长为315 nm;日落黄在波长310～410 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为592 nm,最佳激发波长为348 nm;亮蓝在波长320～390 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为456 nm,最佳激发波长为350 nm。进而对这五种合成食品色素的荧光光谱进行了分析讨论。结果可为食品色素检测和食品安全提供帮助。     

CAD系统图像颜色分割的新方法

通过图像扫描仪获得的彩色图像常包含有一些样稿颜色以外的杂色或噪声颜色,当用基于一维直方图的传统的颜色统计法进行颜色分割时,会出现错分现象。对此,本文提出了基于二维直方图的颜色分割新方法,实现了一些ＣＡＤ系统图像颜色的准确分割和归并。实验结果和实际应用都证明了新方法的有效性,该方法也可应用于全真彩色图像的量化。