石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景

石墨烯等离激元由于其独特的电学可调性、本征低衰减以及局域光场高度增强等特性, 引起了广泛的关注并迅速成长为一门新的学科分支--石墨烯表面等离激元光子学. 本文介绍了石墨烯等离激元的一些基本性质, 包括色散关系、局域的等离激元和传导的等离激元以及石墨烯等离激元对其周边介电环境的敏感性等. 在此基础上, 进一步介绍了石墨烯等离激元在太赫兹到中红外频段的应用, 比如有源光调制器的一些功能器件和增强的红外光谱探测等.     

基于等离激元多重杂化效应的光吸收结构

近年来,以聚合物为代表的高分子材料由于具有比其他光吸收材料(如半导体材料、碳基材料以及贵金属纳米材料)更好的柔性和粘弹性而受到广泛关注.本文基于等离子体再聚合技术和磁控溅射工艺在聚合物材料层上制备了具有等离激元多重杂化效应的光吸收结构,该结构具有宽谱高吸收特性.该结构的制备工艺简单易行,对不同聚合物材料具有通用性,在光学器件领域具有广泛的应用前景.     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550...     

基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元滤波器的研究

提出了一种基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元波导滤波器, 并且用时域有限差分法研究了这种结构. 单个齿形的滤波器可以实现带阻滤波, 其滤波特性可以用基于散射矩阵的解析模型解释. 滤波器的透射谱特性可以通过调节齿的长度、宽度以及石墨烯的化学势来改变. 由于石墨烯的化学势可以用门电路来调节, 这种结构的滤波器可以在器件加工完成后灵活地调节其工作波长. 同时研究了多齿滤波器, 这种结构可以实现宽带滤波, 文中对具有不同齿数、周期的滤波器的透射谱进行了细致的研究. 研究结果对实现基于石墨烯的大规模集成光电子器件提供了重要的理论参考.     

表面等离激元与磁表面等离激元

金属微纳结构体系中的表面等离激元以及磁表面等离激元因其独特的光学特性吸引了研究者们的极大兴趣,成为当前的热点研究领域之一.文章对表面等离激元尤其是磁表面等离激元的特点、基本现象、新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍.     

等离激元能带结构与应用

近些年来,表面等离激元因其具有强局域、亚波长和高场强等特殊的光学性质而备受关注,在化学、生物、通信、纳米能源等各领域得到了广泛的研究.为了更好地控制表面等离激元的激发、传播和辐射,具有能带结构的周期性表面等离激元结构被广泛的研究.本文全面综述了具有等离激元能带的微纳结构、能带的产生机制与其特殊的性质,包括连续谱中的束缚态、波导、全带隙、拓扑等.在此基础上,基于等离激元能带设计所开展的一些应用也予以系统总结.最后,随着新材料的发现,本文还简要介绍了二维材料石墨烯等离激元能带和它的一些应用.     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

局域表面等离激元

局域表面等离激元使得贵金属纳米颗粒具有丰富的光学性质,其应用涵盖能源、生物医学、安全、信息、超材料等诸多领域。文章简要介绍局域表面等离激元的基本性质、贵金属纳米结构中的局域表面等离激元共振耦合以及具有局域表面等离激元特性的贵金属纳米结构的一些重要应用。     

二维有限元方法研究石墨烯环中磁等离激元

石墨烯等离激元是决定石墨烯光学性质的重要元激发,拥有一系列优异的特性,其通过外置电场的动态可调性最引人注目;石墨烯具有很强的磁场响应(如室温观测的量子霍尔效应),因而磁场可作为一个新的调控自由度,形成的准粒子叫作石墨烯磁等离激元.鉴于石墨烯的二维属性,石墨烯磁等离激元的研究大多采用三维近似,即将石墨烯等效成厚度很薄的三维块材,该处理方案需消耗大量的计算资源.本文在准静态近似下,围绕库仑定律和电荷守恒定律,构建了高效的二维有限元方法,自洽地求解石墨烯面内的积分微分方程,并提出本征值损失谱表征准粒子的激发.利用二维有限元方法,探讨了4类石墨烯环中磁等离激元的激发;最低阶的偶极共振都支持磁等离激元的对称劈裂,在孔很小时,其对模式劈裂的影响可忽略,但当孔的尺寸变大时,内外边界的相互作用将抑制模式劈裂,并最终导致其消失.     

基于石墨烯加载的不对称纳米天线对的表面等离激元单向耦合器

本文设计并数值研究了一种石墨烯加载的不对称金属纳米天线对结构.利用石墨烯费米能级的动态调控特性,实现了电控表面等离激元的单向传输.类似于传统的三明治型纳米天线结构,设计的不对称金属纳米天线对结构可以等效为两个共振的磁偶极子,由于磁偶极子辐射电磁波的干涉,将导致单向传输效应.通过计算腔中的电场分布,发现石墨烯的调谐能力与石墨烯区域的电场强度成正比关系.以上现象都可以通过等效电路模型进行理论解释.此外,该结构具有小尺寸、高效率、宽带宽和易于光电集成等优点,在未来的光子集成与光电子学领域将具有重要的应用.     

Modulation of curved graphene nanoribbon optical absorption spectra by an electric field

The optical absorption spectra of curved graphene nanoribbons exhibit rich dependence on the magnitude and direction of the electric field. The wave functions have spatial symmetry originating from the equivalence of the two sublattices. There exists an optical selection rule caused by the special structure of the Hamiltonian matrix and the wave function spatial symmetry. An electric field may or may not disrupt such spatial symmetry depending on its direction and magnitude. Therefore, the optical selection rule can be controlled. In addition, the two-fold degeneracy of the optical absorption peaks is lifted by the electric field, and the variations of the absorption peak energies with the field are explored.     

Coupling interaction between a single emitter and the propagating surface plasmon polaritons in a graphene microribbon waveguide

The coupling interaction between an individual optical emitter and the propagating surface plasmon polaritons in a graphene microribbon （GMR） waveguide is investigated by numerical calculations, where the emitter is situated above the GMR or in the same plane of the GMR, The results reveal a multimode coupling mechanism for the strong interaction between the emitter and the propagating plasmonic waves in graphene. When the emitter is situated in the same plane of the GMR, the decay rate from the emitter to the surface plasmon polaritons increases more than 10 times compared with that in the case with the emitter above the GMR.     

降低表面等离子激元寄生吸收损失的途径研究

从纳米Ag颗粒表面等离子激元光学及表面高能电场特性两方面入手,较为系统地研究了周围介质的导电特性对表面等离子激元的影响.通过对复合薄膜紫外-可见-近红外光谱及表面增强拉曼散射光谱的分析,指出绝缘性的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的表面电场定域效果,且不会引入附加的光吸收损失;而导电性的ITO薄膜则会引入表面价电子的溢出损失,加速了表面电场的衰逝,同时引起长波方向上显著的光吸收损失.研究还表明致密的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的屏蔽作用,且纳米Ag颗粒表面等离子激元特性仅受最近邻材料特性的影响.研究结果为在硅基薄膜太阳电池中实现对纳米Ag颗粒的阻挡、寄生光吸收损失的降低以及表面高能电场的利用,提供了一条有效的解决途径.     

Asymmetrical plasmon reflections in tapered graphene ribbons with wrinkle edges

Asymmetrical graphene plasmon reflection patterns are found in infrared near-field images of tapered graphene ribbons epitaxially grown on silicon carbon substrates. Comparing experimental data with numerical simulations, the asymmetry of these patterns is attributed to reflection of plasmons by wrinkled edges naturally grown in the graphene. These graphene wrinkles are additional plasmon reflectors with varying optical conductivity, which act as nanometer scale plasmonic modulators and thus have potential applications in photoelectric information detectors, transmitters, and modulators.     

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     

垂直电场下扭转双层石墨烯光学吸收性质的理论研究

层间扭转角度是对石墨烯物理性质宽波段可调谐的一个新参量.本文采用2°<θ<15°扭转角度下的连续近似模型,获得了不同扭转角度双层石墨烯分别在有、无电场下的能带结构,通过电子-光子相互作用跃迁速率,计算模拟了范霍夫奇点附近电子带内跃迁和带间跃迁所引起的光学吸收谱.结果表明,在无外加电场时,带间跃迁吸收峰的位置随着扭转角度的增大而发生从红外到可见光波段的蓝移,且吸收系数增大,带内跃迁的光学吸收系数相对于带间跃迁高出2个数量级;而存在外加电场时,两个范霍夫奇点在波矢空间的位置发生偏移,带间跃迁吸收峰发生分裂,且两个分裂的吸收峰位置随着电场强度的不断增大而反向行进.上述研究结果对石墨烯材料在光电器件方面的应用有一定指导作用.     

Surface plasmon polariton assisted optical pulling force

We demonstrate both analytically and numerically the existence of optical pulling forces acting on particles located near plasmonic interfaces. Two main factors contribute to the appearance of this negative recoil force. The interference between the incident and reflected waves induces a rotating dipole with an asymmetric scattering pattern, while the directional excitation of surface plasmon polaritons (SPPs) enhances the linear momentum of scattered light. The strongly asymmetric SPP excitation is determined by spin–orbit coupling of the rotating dipole and surface plasmon polariton. As a result of the total momentum conservation, the force acting on the particle points in a direction opposite to the incident wave propagation. We derive analytical expressions for the force acting on dipolar particles placed in the proximity of plasmonic surfaces. Analytical expressions for this pulling force are derived within the dipole approximation and are in excellent agreement with results of electromagnetic numerical calculations. The forces acting on larger particles are analyzed numerically, beyond the dipole approximation.

     

Switchable surface plasmon dichroic splitter modulated by optical polarization

For the miniaturization of optical devices, surface plasmon polaritons (SPPs) have been widely utilized due to their outstanding confinement and field‐enhancement characteristics. Analyzing a spectrum of optical signals and splitting certain regions of the spectrum range within a submicrometer‐scale structure are demanded for optical integrated systems. In this paper, a novel type of dichroic surface plasmon launcher that can switch the launching direction according to incident polarization states is demonstrated. Compared to the previously reported plasmonic dichroic splitters, the proposed schemes do not use any asymmetric geometry for directional launching. Hence, the direction of guided SPPs can be interchanged according to the polarization state. Such characteristics will be helpful to design switchable plasmonic devices that can be applied to active plasmonic integrated circuits.     

梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质

理论上研究了介质/石墨烯/介质梳状波导结构中表面等离子体的传播性质. 波导中表面等离子体模的有效折射率随着石墨烯费米能级的提高而减小, 随着介质折射率的增加而增加. 分析和仿真结果表明, 基于这种梳状波导可以在中红外波段实现新型的纳米等离子体滤波器, 器件的尺度在几百纳米的范围. 通过改变梳状分支的长度, 石墨烯的费米能级, 介质的折射率和波导中石墨烯的层数, 很容易来调节带隙的位置. 另外, 滤波带隙的宽度随着梳状分支数的增加而增加. 这种滤波性质将在可调的高集成光子滤波器件中具有潜在的应用.     

Surface plasmon polariton coupling between nano recording marks and their effect on optical read-out signal

We use the three-dimensional finite-difference time-domain method to investigate surface plasmon polariton coupling between two nano-recording marks which are of different shapes. The different coupling characteristics and the influence of these coupling effects on the read-out reflection signal will be discussed.