表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。     

表面等离子体激元的若干新应用

表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振（SPR）场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。     

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。     

表面等离子体亚波长光学前沿进展

目前表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPPs）在光存储、光激发、显微术以及生物光子学等领域中的应用前景受到了广泛的关注.文章介绍了SPPs的基本性质和表面等离子体亚波长光学（surface plasmons subwavelength optics）研究中的热点问题及发展方向.     

线性偏振光激发的错位表面等离子体激元纳米结构聚焦

利用扫描近场光学显微镜观测并分析了两种表面等离子体激元纳米结构对表面等离子体激元(SPP)的激发和聚焦现象.用线偏振光照射有半个周期相位差的环状沟槽结构与有半个周期位相差的环状狭缝结构,得到了单点的SPP聚焦.有限时域差分法的模拟结果验证了实验中观测的现象.这两种相位错位的表面等离子体激元纳米结构,突破了由于干涉导致的线偏振光不能得到单个聚焦点的限制.与采用径向偏振光激发而得到单个聚焦点的方法相比,线偏振光不需要聚焦,也不需要将光束中心对准纳米结构的几何中心即可得到单点聚焦。     

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。     

基于表面等离子体激元效应的可调制滤波器

针对常用的光学滤波器滤波波长不可变的特点,提出一种利用表面等离子体激元效应实现可调制滤波的方法.该方法根据金属邻近电介质的介电常数发生改变时,金属与入射光波的表面等离子体激元耦合共振模式发生改变,以此实现滤波波长调制.在加工有亚波长纳米孔阵列的Au薄膜上制作了一可见光滤波器,实验中采用空气、酒精和油作为介质对器件进行调制.结果表明:相对于常用的光学滤波器,该器件由于可以方便地改变临近介质的介电常数,因此具有滤波波长连续可调、快速方便、波长变化精度高等特点.     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学（plasmonics）已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微...     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学(plasmonics)已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微纳加工技术制备的SPP纳米结构,以及利用近场光学表征手段对SPP聚焦、波导、共振增强现象研究的进展.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

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。     

基于表面等离激元的偏振态控制光开关

利用四个Au纳米棒组成的类矩形纳米棒四聚体结构设计了一种基于偏振态控制的光开关,并采用有限元法研究了该结构对入射光偏振态的响应特性.研究发现,该结构的透射光谱对入射光的偏振方向具有很强的依赖性,当入射光的偏振角度变化π/2时,其特征峰的开关比分别能达到27.81dB和21.65dB.分析表明,该结构的开关效应主要由不同偏振态下所导致的水平双纳米棒和竖直双纳米棒之间的近场耦合强度不同而实现,该结构透射系数与偏振角度的关系服从Malus law.此外,通过改变类矩形纳米棒阵列结构参数,研究了结构参数对其光开关响应特性的影响.在此基础上,通过改变阵列的周期参数,研究了入射光水平偏振和垂直偏振下周期参数对单元结构透射光谱的影响.该研究结果能够为可调谐双波长偏振光开关的设计提供理论依据.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

费米折射率平面波导激励的差分检测型对称结构表面等离子共振传感研究

为了实现被测折射率范围可调,提高检测灵敏度,将双波长差分检测技术应用于平面波导激励的金属-介质-金属组成的对称型表面等离子体共振传感结构中.通过对对称结构的模式特性分析,研究了该结构中激发等离子体表面波时,介质厚度与被测折射率的关系及双波长差分检测的原理.采用离子交换法制备平面波导,用费米函数拟合其渐变折射率分布.用光强调制方式,分别进行单波长和双波长差分检测,对折射率为1.33~1.428之间的甘油溶液进行测试,实验结果表明,该结构可激发等离子体表面波,与传统平面波导激励的表面等离子体共振传感结构相比,通过改变被测介质的厚度可以改变共振条件,进而改变折射率的测量范围.若被测范围选择合适,检测的线性较好,采用差分检测方法比单波长检测方法的灵敏度提高近一倍.