混合表面等离子体激元的纳米激光器设计

为了实现纳米激光器的性能优化,设计了一种基于纳米线、半圆形氟化镁、三角形空气槽和金属脊结构的纳米激光器模型。模型中耦合在低折射率电介质层中的SPP模式和纳米线波导可以在低折射率间隙下像电容器那样存储光能,从而使低折射率的空气槽场强明显增大。应用有限元法在COMSOL Multiphysics软件下,分析了该纳米激光器模型的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值随着设计结构几何参数变化的规律,通过各部分折线图的综合分析来得出模型性能的数据。分析表明：该模型的光场约束能力较强且传播损耗较低,其中归一化面积最小可达到0.004 8,有效传输损耗最小可达到0.002。波导模场区域和限制因素表明,该激光器模型可以实现输出光场的亚波长约束。该模型基本实现了低增益阈值、低传输损耗和高品质因数的要求。     

紫外波长下混合表面等离子体纳米激光器

设计了一种带有金属脊和氟化镁夹层的紫外混合表面等离子体纳米激光器。在COMSOL Multiphysics软件的基础上,使用有限元法分析了所设计激光器结构的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值。结果表明：在工作波长为390 nm的紫外波段,通过最优参数设计,其光场约束可达到较好的深亚波长水平,同时保持高的品质因数、低的损耗和阈值。与平坦金属层结构相比,在相同的参数下,所设计的结构具有更强的光场限制能力和更强的微腔束缚能力,有潜力使纳米设备趋于小型化和集成化。     

低阈值混合表面等离子体纳米激光器的仿真设计

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算,并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明,通过对参数进行调整,激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下,增益阈值可达0.47μm-1,传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输,在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景,可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.     

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。     

纳米金属肋混合表面等离子体波导模式特性分析

基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混合波导的增益阈值.结果表明:该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52μm2.     

表面等离子体激元纳米集成光子器件

纳米集成光子学的核心关键技术之一在于新型高效纳米光耦合器、纳米光波导等纳米光子器件的设计与制备.表面等离子体激元（SPPs）是由外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的一种相干共振,除具有巨大的局部场增强效应外,还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点.基于SPPs的各种纳米光子器件被誉为当今最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为目前国际上的一个研究热点.文章对基于SPPs的纳米集成光子器件的最新研究进展和研究成果进行评述.     

表面等离子体激元纳米集成光子器件

纳米集成光子学的核心关键技术之一在于新型高效纳米光耦合器、纳米光波导等纳米光子器件的设计与制备.表面等离子体激元（SPPs）是由外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的一种相干共振,除具有巨大的局部场增强效应外,还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点.基于SPPs的各种纳米光子器件被誉为当今最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为目前国际上的一个研究热点.文章对基于SPPs的纳米集成光子器件的最新研究进展和研究成果进行评述。     

深亚波长约束的表面等离子体纳米激光器研究

本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜 复合结构的表面等离子体纳米激光器, 并给出了理论研究和仿真分析. 这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合, 从而使场增强效应得到显著提高. 同时通过数值仿真研究, 得到该混合波导结构的模式特性和增益阈值随空气槽宽度、纳米线半径的变化规律, 表明它可以实现对输出光场的深亚波长约束, 同时保持低损耗传输和高场强限制能力. 通过最优化选择, 最终得到纳米等离子体激光器的最优结构尺寸. 关键词： 表面等离子体 混合等离子体波导 纳米激光器     

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器的研究

设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构,利用有限元法对该结构进行了数值仿真。COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。在COMSOL Multiphysics软件平台上,构建该结构的三维模型,使用模态分析和频域分析模块,研究了其电场分布、归一化模式面积、传输长度、增益阈值、品质因数。结果表明：在工作波长为370 nm时,所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平,同时保持大的传输长度。提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比,波导特性更好。将该结构应用于纳米激光器,由基模和纵模反映出,激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。在波导特性良好的情况下,该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。综合考虑,选取最优尺寸为ｒ＝80 nm, d＝45 nm,此时有效模式面积为0.005 1λ2,传输长度为1 668 nm,增益阈值为1.46×10-6 m-1, 品质因子74.5。最后,在最优尺寸下,通过仿真得到了该结构的发射光谱,其发射波长为360 nm,输出电能比输入电能增强了3 100倍。该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持,在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。     

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。     

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.     

Surface Plasmon Polariton Fizeaus Dragging: via Relative Rotational Sensing

A new scheme focusing on the surface plasmon polariton interferometry between the metal and dielectric interface is introduced. The phase shift is measured by using surface plasmon polariton wave, generated at the interface of metallic and dielectric media. The phase shift of SPPs is modi?ed under phase and amplitude control of complex conductivity for interferometry. The control ?elds strongly in?uence the phase shift of SPPs for detection of molecular motion. The phase shift of SPPs is further modi?ed by Plasmon polariton Fizeaus dragging effect. We measure 20%–25%fractional change in delay and their phases shift between two left and right SPPs modes. Our results may have signi?cant applications in sensor interferometer technology.     

近场研究表面等离子体在银纳米线上的传输

通过双探针近场光学扫描显微镜在银纳米线上实现近场激发和近场收集表面等离子体,用一个探针在银纳米线的一端近场激发表面等离子体,另一个探针近场探测银纳米线上的表面等离子体强度分布,得到强度分布图.强度分布图显示表面等离子体在银纳米线的一端被有效激发并且有一部分表面等离子体沿着银纳米线和基底的界面传播到了另一端.用有限元法对银纳米线内的传播模式进行数值模拟,结果显示银纳米线内存在两种表面等离子体传播模式,分别为基模和高阶模.沿着银纳米线和基底介质之间传输的基模表面等离子体由于传输环境稳定,散射损耗小,实际传输长度接近模式传输长度,达10μm以上;而高阶模表面等离子体由于部分裸露在空气中受表面缺陷散射的影响,散射损耗大,实际传输长度远小于模式传输长度.研究表明:以能量高度束缚的基模表面等离子体作为载体,不仅可以实现低损耗传输,还可以减小集成器件之间的信号串扰,有效提高信息传输的安全性,在集成光学中具有重要应用.     

液晶环境下金纳米柱的表面等离子体特性研究

为了有效研究液晶环境对金属纳米结构表面等离子体的调制作用,基于时域有限差分方法,对液晶环境下金纳米柱结构进行了建模,上下边界采用完全吸收边界条件,四周为周期边界条件.数值模拟了液晶厚度、倾角、光栅距离以及周期结构等参数对金纳米柱的消光特性的调制作用.分析结果表明:随着液晶光轴角度增加,谐振波长出现红移现象,且调制范围为40nm;光栅距离越大,金纳米柱之间的相互作用越弱,谐振波长越小;增加周期长度,谐振波长红移,且随着周期长度增加,次峰作用越明显.利用液晶光学性质可调节金属纳米结构的表面等离子体特性,结果对液晶环境中表面等离子体结构在新的光子器件等方面的研究提供了理论依据.     

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.     

Planar Spoof Surface Plasmon Polariton Antenna by Using Transmissive Phase Gradient Metasurface

Spoof surface plasmon polariton (SSPP) antennas are of particular importance in communication and radar systems. Currently available SSPP radiation devices are limited to low performance with high side-lobes because it is extremely challenging to accurately control the wave vector of SSPP and the inherent momentum mismatch between the SSPP and spatial waves. Inspired by the optical principle of reversibility, high-performance radiation control of SSPP is proposed to be achieved with transmissive phase gradient metasurface (TPGM). The TPGM, placed a meticulously optimized distance above the SSPP propagation structure, can provide an additional opposite wave vector to match the momentum between the SSPP and spatial waves. When the propagating SSPP transmits on the TPGM, it can be decoupled into the free space accurately and flexibly. Numerical results coincide well with the measurements, indicating that the radiation control of SSPP achieves high-performance and low side-lobe within 9 to 10.5 GHz with the measured radiation efficiency higher than 50%. The measured maximum efficiency appears at 9.8 GHz for 69%. Thanks to the flexible and accurate manipulation of the dispersion relation of SSPP provided by TPGM, the findings may open an avenue in achieving larger angle scanning antenna.     

表面等离激元协助的方向性瑞利光散射研究

The origin of the Rayleigh scattering ring effect has been experimentally examined on a quantum dot/metal film system, in which CdTe quantum dots embedded in PVP are spin-coated on a thin Au film. On the basis of the angle-dependent, optical measurements under different excitation schemes (i.e., wavelength and polarization), we demonstrate that sur-face plasmon assisted directional radiation is responsible for such an effect. Moreover, an interesting phase-shift behavior is addressed.     

表面等离子体激元微盘的优化设计及应用

表面等离子体激元(SPP)微腔具有很高的品质因子和极小的模式体积,在光电子器件研究方面具有重要的应用价值。采用有限元法对表面等离子体激元的金属覆盖介质微盘谐振腔进行理论模拟,研究考虑微盘底半径、介质层厚度及金属膜厚度等参数对微盘表面等离子体模的品质因子及模体积的影响。研究表明,在光通信波段1550nm附近获得高品质因子(1000以上),极低模式体积的表面等离子体微盘。最后研究了利用优化设计的微盘进行折射率传感的应用,获得了高达300nm/RIU的折射率传感灵敏度。     

高限制等离子体表面波槽形结构

基于等离子体表面波的物理机理,提出一种具有高限制因子的二维亚波长槽形结构.该结构能在二维上都限制在亚波长尺寸,其能量主要限制在芯区中,当芯区横截面尺寸为200 nm×800 nm,能量限制因子高达98.5%,横向模式尺寸近似于芯区宽度;当金属墙厚度大于截止厚度,横向模式尺寸能够达到深亚波长尺寸.该结构的基模分量Ex限制在芯区中,而分量Ey只在矩形介质芯区四个与金属接触的直角处被激励,并且关于x轴、y轴具有反对称性.     

波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测,是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、 生物传感领域有重要的应用。