基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷,该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量,发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量,而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感;同时,改变两谐振腔的并联方式,研究了两种衍生结构的传播特性,发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外,通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料,研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性,其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.     

基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器的数值研究

设计了一个基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器, 并应用时域有限差分算法数值研究了它的传播特性. 结果发现, 在透射光谱中出现了明显的透射峰. 分析表明, 该透射峰是由表面等离极化激元在圆弧腔中的谐振所导致. 我们还研究了圆弧谐振腔的结构参数及其弯曲方向对其传播特性的影响. 此外, 该结构还可以用作一种光分路器, 实现滤波与分路的双重功能.     

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3 028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。     

金属-介质-金属纳米天线阵列的模式特性及荧光发射调控

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列     

基于半环结构的法诺共振透射特性研究（英文）

基于表面等离子激元理论提出一个由金属-介质-金属波导和半环切口组成的波导结构,应用时域有限差分法研究了该结构的透射特性.仿真结果表明:透射光谱中产生一个类似法诺共振线形的共振谷,该法诺共振由半环切口中连续态与离散态的相互干涉所致,其共振波长可以通过改变半环切口的结构参量进行调节,该结构灵敏度约为575nm/RIU,品质因数可达5 671.添加一个矩形谐振腔于该结构上可产生多重法诺共振,品质因数为6 555,此特征能为波导结构的设计提供极大的灵活性,有望在光学集成回路、纳米传感器方面得到比较广泛的应用.     

内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构中的法诺共振现象

应用时域有限差分算法系统地研究了内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构的透射特性. 由于倾斜银纳米棒破坏了圆形腔原有的对称稳态磁场分布, 该系统中产生了法诺共振现象. 此外, 透射光谱强烈地依赖于纳米棒的倾斜角度和纳米棒的形貌参数. 这些结果有助于设计复合结构滤波器, 满足特定的滤波需要. 关键词： 表面等离极化激元 法诺共振 时域有限差分算法     

拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束传输特性

为实现光折射率传感器小结构、高灵敏度的要求,根据表面等离极化激元的透射特性,提出了一种单挡板金属-介质-金属（MIM）波导耦合类云朵腔结构。此结构引用“腔中腔”的理念,在近场耦合作用下,类云朵腔所形成的较宽的连续态与金属挡板所形成的较窄的离散态经过干涉相长相消,可以产生三重不同模式的法诺共振。结合耦合模理论,对三重法诺共振的产生机理进行分析,并运用有限元分析法对此结构进行模拟仿真,定量分析了不同结构参数对折射率传感特性以及优质因子的影响。结果表明,三种共振模式的灵敏度分别为600,800,1083 nm/RIU,优质因子分别为5.08×10⁴、3.56×10⁵和1.17×10³。     

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.     

阴极荧光在表面等离激元研究领域的应用

表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应,利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振,并在亚波长尺度实现对共振模式的调控,具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现,目前己被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发,综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展,并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用,进一步分析了其面临的关键问题,最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.     

基于非对称圆形谐振腔金属-介质-金属波导结构的带阻滤波器

提出一种金属-介质-金属非对称圆形结构,该结构由两个圆形谐振腔、一个传输波导和两个耦合波导组成。利用谐振腔的局域作用加强表面等离激元的耦合作用,获得较大的透射率。采用有限时域差分方法研究了圆形谐振腔半径、个数和两圆腔中心距离对强透射特性的影响。结果表明,当非对称圆形谐振腔的半径为100nm、两圆间距为200nm时,该结构具有较高的透射率。通过优化主要参数,所设计结构的平均阻带宽度为1000nm,工作范围可增大到2500nm。     

非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡。当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性。利用该电磁场模式和光谱特性, 能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数, 在微纳尺度上实现光谱学信号的有效调控。目前,除了具有一定对称性的贵金属纳米材料被大量研究和应用外,非对称纳米结构的表面等离激元光谱特性也受到广泛关注。研究表明,在可见-近红外波段光谱范围内设计表面等离激元光电传感器件的关键问题在于,如何有效地调节其消光谱的共振波长、半峰宽以及峰值强度等主要特征参数。提出一种基于银纳米双环组成的非对称结构,利用时域有限差分方法,在可见-近红外波段内,通过分别改变银纳米双环的尺寸、间距及入射光偏振方向等参数,计算了该纳米结构在不同条件下的消光谱。结果表明,在0.4～3 μm的消光谱内,入射光能够激发产生两个独立的表面等离激元共振峰。通过研究峰值波长处的电场分布图发现,上述共振峰分别对应两种不同的电磁场模式。结果还表明,消光谱内两个独立的共振峰可以通过改变该双环结构的不同参数,被分别地进行调节。其中,可以通过改变该双环结构的半径来有效调节短波长峰的共振波长和半峰宽,同时保持长波长峰的共振波长和半峰宽基本不变。此外,通过改变两环间距或入射光偏振方向,可以分别以不同趋势来调节两个共振峰的峰值强度。在提出的非对称银纳米双环的消光谱中,获得了能够被分别调节的两个表面等离激元共振峰,研究结果能够为可见-近红外波段内基于银纳米材料光电传感器件的开发设计提供理论基础。     

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。     

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。     

周期性亚波长金属孔阵列的单元结构对称性对其增强光透射特性的影响

采用三维时域有限差分方法,对比研究了石英基底上周期性亚波长圆形、纽扣形、半圆形和太极形四种具有不同对称性的孔阵列微结构金属膜的增强光透射特性,并分别探讨了阵列周期、小孔尺寸对这四种阵列结构透射特性的影响.结果表明增强光透射特性对单元结构对称性具有很强的依赖性:在超短高斯光脉冲激励下,随着单元结构对称性的降低,归一化透过率逐渐增大,红外波段的透射峰发生大量红移,且其与可见光波段的透射峰之间的距离逐渐增大,在对称性破缺的太极形孔阵列中两峰间距最大,可达1 300nm左右.表面等离激元模式与局域表面等离子体共振模式在增强光透射现象中起着重要的作用.在可见光波段,表面等离激元模式是这四种阵列结构的光透射增强的主导性因素;在红外波段,局域表面等离子体共振模式对单元结构对称性较差孔阵列结构的增强光透射特性有着显著影响.     

加入增益介质的表面等离子体激元耦合共振波导传输特性理论研究

将增益介质加入金属环构成的表面等离子体激元耦合共振波导,利用传输矩阵及时域有限差分方法研究了不同增益系数下该耦合共振波导的透射谱线、色散关系以及群折射率.结果表明,增益介质共振频率附近的反常色散及正常色散变化能有效影响由共振波导几何结构决定的色散关系曲线,且具有相反的效果,分别使其变得平坦和陡峭,从而放大和缩小由共振波导几何结构决定的群折射率.另外,增益系数随外加抽运光改变的特点使得加入增益介质的耦合共振波导具有传输性能可灵活调节特性.文章的研究对促进耦合共振波导在高密度光学集成中的广泛应用具有积极意义. 关键词： 增益介质 耦合共振波导 表面等离子体激元 群折射率     

内嵌矩形腔楔形金属狭缝的增强透射

金属薄膜上亚波长金属狭缝的非共振光增强透射对宽频带光子器件的设计具有重要意义. 为增强金属狭缝的光透射, 设计了内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列, 并用有限元方法研究了该结构的透射特性. 结果表明, 内嵌矩形腔的楔形金属狭缝阵列比无矩形腔的楔形金属狭缝阵列透射率高. 此外, 还研究了矩形腔的结构参数和位置对内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列透射特性的影响. 这些结果将对设计具有更高透射能力的金属狭缝具有一定的指导意义. 关键词： 光异常透射 金属狭缝 表面等离极化激元     

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.