二维亚波长金属光栅多波长透射滤光片EI北大核心CSCD

为实现阵列化、多波长光探测器件的微型化与集成化,设计了一种基于亚波长金属光栅导模共振原理的透射滤光片。利用波导理论分析了二维金属光栅波导对称和非对称两种结构的共振特性,数值仿真分析了光栅各参数如占空比、光栅厚度、侧壁角度等对透射谱线的影响,并给出了结构优化参数范围。研究表明,透射滤光片的峰值波长与半峰全宽（带宽）取决于光栅周期和缓冲层厚度,带宽的调节范围为2~45 nm,最大透射率为81.7%,所设计的滤光片具有偏振无关性,较好地满足了当前微流控芯片、生物传感阵列等微量样品集成化探测的需求。     

基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90°旋转,在3.4—4.5μm波段偏振转换率大于60%,在3—5μm光谱范围内的转换对比率大于10~4.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.     

宽波段波状多层膜结构偏振分束器的设计与优化

本文基于二维光子晶体波状多层膜结构,提出了叠加两种不同膜厚的周期膜堆来拓宽偏振分束器有效带宽的方法.采用粒子群优化算法,建立偏振分束特性的评价函数,优化结构和薄膜厚度等参数,获得了中心波长565 nm,带宽220 nm,平均消光比大于30 dB的宽波段偏振分束器.采用时域有限差分方法分析了膜层顶角的角度敏感性和波状结构的电场分布.结果表明,两个周期膜堆组合的结构解决了禁带不连续的情况,而粒子群优化算法的使用加快了结果收敛,有效地扩展了偏振分束带宽.     

基于亚波长偏振光栅的偏振光分束器设计

利用琼斯矩阵和矢量傅里叶系数方法分析了二元亚波长偏振光栅的偏振特性和衍射效率,并给出了相应的数学解析式.研究发现,通过入射光的偏振可以控制不同衍射输出级的偏振态,且0级输入偏振态与输出偏振态始终相同,而其它级次除线偏光外都与入射偏振态相反.当二元亚波长偏振光栅的位相延迟分别设置为0.62π和π时,可以将二元亚波长偏振光栅设计为1→3或1→2的偏振光分束器,且分束器具有衍射效率高、宽带宽、对入射角的变化不甚敏感的特点.     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

单层亚波长金属光栅偏振器透射机理研究

为从物理层面理解亚波长金属光栅偏振透射现象以及光栅参数对偏振透射的影响,基于等效介质理论定性解释了单层亚波长金属光栅的偏振透射现象,给出了各个光栅参数对偏振性能的影响规律。对于不同条件下透射峰值产生的机理,基于法布里-珀罗共振理论给出了定量解释。对于等效介质理论和法布里-珀罗共振理论的准确性给出了验证及分析。通过两理论定性或定量的对单层亚波长金属光栅偏振器透射机理的系统分析,将有助于更清晰地理解金属光栅偏振器的偏振透射影响规律。     

基于导模共振的窄带可调谐滤波器

提出了一种分离的导模共振滤波器.该结构由光栅层和两个被空气薄层隔开的平板介质波导组成.使用时域有限差分法分析了该光栅结构在不同的结构参数下的光谱特性.研究表明,当TM偏振入射时改变空气薄层的厚度可以实现共振波长的可调谐,并且共振波长几乎随着空气薄层厚度线性变化.浅调制光栅被用于实现窄线宽特性.波长可调谐范围为1 515~1 558nm,半高全宽小于0.6nm.     

亚波长光栅偏振分束器的研究

利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对TE偏振光具有很高的反射率同时对TM偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。     

新型超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器的研究

提出了一种新型超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器. 应用全矢量有限元法,系统地研究了光纤结构参数对偏振分束器带宽和偏振分束器长度的影响. 分析结果表明：增加掺氟区折射率,既能提高分束器带宽,也能减少分束器长度;增大光纤中空气孔的孔距及孔径与孔距比,可以增加分束器的带宽,但同时也会导致分束器的长度增大,使得器件尺寸增大. 因此,在设计中需兼顾分束器的带宽和长度来选取光纤的结构参数. 通过结构参数的优化,设计出一种短长度、高消光比和超宽带的偏振分束器,其长度为7.362 mm,消光比高于20 dB的带宽为600 nm. 关键词： 光子晶体光纤 偏振分束器 超宽带 全矢量有限元法     

激励表面等离子共振的金属薄膜最佳厚度分析

根据电磁场在金属薄膜中的能量分布规律和金属薄膜具有复介电常数的特点,对激励表面等离子共振的金属薄膜的最佳厚度进行了探讨. 指出金属薄膜的最佳厚度与激励光波长和金属薄膜的折射率有关,建立了描述它们之间关系的数学表达式,并用实验方法进行验证. 将理论结果与他人的测量结果进行对比后发现,两者符合较好. 研究结果表明：在角度调制下的表面等离子共振传感器,为了获得更高的灵敏度,可根据激励光波长和金属薄膜折射率的虚部确定所要制备金属薄膜的最佳厚度;在波长调制下,则由中心波长和折射率的虚部确定金属薄膜的最适宜使用厚度. 关键词： 折射率 金属薄膜 全内反射 表面等离子共振     

Plasmonic structure and electromagnetic field enhancements in the metallic nanoparticle-film system

We investigate the plasmonic structure of a metallic nanoparticle near a metallic thin film. We show that in the thin film limit, a virtual plasmon resonance composed of delocalized thin film plasmons is induced. We investigate how the physical properties of the virtual state depend on polarization, film thickness and nanoparticle-film separation. We show that the electromagnetic field enhancements associated with the virtual plasmon resonance are large, suggesting applications of metallic nanoparticle/thin film systems as substrates for surface enhanced spectroscopies and surface enhanced scanning probe microscopies. PACS 78.67.Bf; 73.20.Mf; 78.30.-j     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

影响Salisbury屏高频响应的若干因数

应用传输线理论研究了金属薄膜Salisbury屏的反射率频谱特性，得到了Salisbury屏的反射系数公式和带宽系数的表达式.理论和数值分析表明，Salisbury屏的反射频谱是谐振型的；在谐振频率处，反射率的大小仅与金属薄膜的归一化面电阻α有关，而在其他频率处则取决于α和隔离层波阻抗η₂.反射率带宽系数Δ取决于反射率的考察值Γ_α,η₂和α.当α→α_c,η₂→η₀时，Δ取得极 关键词： Salisbury屏 反射率 频带宽度 金属薄膜     

Investigation of ferromagnetic resonance and damping properties of CoFeB

In this study, the influences of thin film thickness and post-annealing process on the magnetic properties of CoFeB thin films were investigated. The angular dependency and linewidth of the ferromagnetic resonance signal were used to explore the magnetic behavior of sputtered single-layer and trilayer thin film stacks of CoFeB. A micromagnetic simulation model was employed based on the metropolis algorithm comprising the demagnetizing field and in-plane induced uniaxial anisotropy terms with all relevant contributions. Our results reveal that the direction of magnetization changes from in-plane to out-of-plane as a result of the annealing process and induces a perpendicular magnetic anisotropy in the 1-nm thick CoFeB thin film. The ferromagnetic resonance (FMR) linewidth can be defined well by the intrinsic Gilbert damping effect and the magnetic inhomogeneity contribution in both as-grown and annealed samples. The difference between the linewidths of the single and trilayer film is mainly caused by the spin pumping effect on damping which is associated with the interface layers.     

纳米金表面修饰与表面等离子体共振传感器的相互作用研究

为了分析纳米金表面修饰对表面等离子体共振(SPR)的放大作用,以及其对传感器本身的影响,首先,基于色散介质的吸收理论,通过建立波长型SPR生物传感器四层膜结构的数学模型,理论分析了传感器表面所吸附纳米金对传感器的影响:纳米金的表面修饰,改变了表面等离子体传感器中棱镜表面各介质层内电磁场的能量分布,削弱了金属膜在共振吸收中的作用,从而使SPR曲线的半波宽度增加,最小反射系数增大,金膜的最优膜厚度也随之改变.其次,通过不同厚度的金膜外吸附纳米金的对比试验,验证了此理论.金膜厚45nm、表面修饰10nm纳米金颗 关键词： 表面等离子体共振 生物传感器 纳米金 金属膜     

基于Au/ITO纳米复合材料的自参照SPR传感器

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰,即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移,而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移,两个共振峰相互参照,降低了入射角偏移对测量结果的影响,提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下,仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°,且金的体积分数f为0.65,薄膜厚度d为40nm和45nm,或金的体积分数f为0.85,薄膜厚度d为45nm和50nm时,共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化,只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化,达到自参照传感器的理想状态.     

Ag-BaO薄膜在垂直表面电场作用下的光吸收增强

Ag-BaO薄膜是金属纳米微粒埋藏于半导体介质中的功能复合薄膜,它具有超快的光电时间响应,可以检测超短激光脉冲,在Ag-BaO薄膜表面加入垂直电场,可以提高薄膜的光电发射效率,在垂直表面电场作用下近紫外波段光吸收有较明显增强现象,在波长λ=303nm处15V电压作用下光吸收增强6.5%,30V电压作用下增强18%。这种光吸收增强是由于在电场作用下,薄膜的能带结构发生倾斜,以及在强电场下能级分裂。光吸收涉及被激发电子在倾斜能带间隧穿几率的增加,和被激发电子在这些分裂能级间的跃迁。     

Absorption enhancement of thin film solar cells using back binary metallic grating

We reported in this work that light absorption can be significantly enhanced in an a-Si thin film solar cell with a nano binary metallic grating patterned on the bottom side. The enhancement is mainly due to combination of several kinds of optical modes. Cavity mode, at the transverse and longitudinal cavities and surface plasmon mode, propagating along the interface of silicon and silver are the main modes contributing to the enhancement. Some key parameters including grating period, width, height and active layer thickness are optimized. The integrated absorption rate of the optimized system reaches 76.55 % for the wavelength range from 300 to 950 nm under AM1.5G spectrum.     

Enhanced optical transmission through a nanoslit by coupling light between periodic strips and metal film

Surface plasmon resonance （SPR） is obtained by exciting the surface plasmon （SP） at the metal and dielectric interface, which can greatly enhance the extraordinary optical transmission （EOT） through a nanoslit milled in the metal film. We present a structure with a 50-nm-wide silver nanoslit for EOT by coupling light into the dielectric interlayer between periodic strips and a metal film. When the period of the metallic strips is equal to the wavelength of the SPR, the transmission efficiency of 187.6 through the nanoslit is enhanced. The metallic strip width over the nanoslit is optimized to improve transmission efficiency, and the maximal efficiency of 204.3 is achieved.