基于纳米金属-石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明

提出了基于银纳米棒、银纳米盘和石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型,通过时域有限差分和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性.结果表明:由于银纳米棒与银纳米盘、银纳米棒与银纳米棒之间的明模-明模耦合,可以实现在单频段PIT效应的基础之上,进一步产生双频段和三频段的PIT效应.其次,通过改变石墨烯的化学电位势,可以在单频段、双频段和三频段PIT模型中同时实现谐振频率和透射振幅的可调性.当化学势增大时,各频段PIT窗口的谐振频率将会逐渐增大,发生蓝移.此外,随着化学势增加,银盘和银棒表面电荷数会不断增加、表面电场将不断增强.同时,银盘和银棒、银棒和银棒之间的耦合强度也将逐渐增强.因此,各频段PIT的透射振幅将会逐渐减小,振幅调制深度逐渐增大.进一步研究了单频段PIT模型的传感特性,该模型随背景材料折射率变化的灵敏度达到了3906.6 nm/RIU.这为多频带滤波、超灵敏传感器的设计提供了理论参考.     

基于black phosphorus纳米棒耦合的等离激元诱导透明

提出了基于black phosphorus(BP)纳米棒耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型,通过FDTD和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性.结果表明:由于不同长度的BP纳米棒之间的明-明耦合,可以在实现单频段PIT效应的基础之上,进一步产生双频段和三频段的PIT效应....     

金纳米棒三聚体中的等离激元诱导透明

基于金纳米棒构成的三聚体微元结构模型,详细地研究了等离激元诱导透明(plasmon induced transparency,PIT)现象产生的物理过程.研究发现,三聚体的吸收谱线随着其耦合距离以及尺寸的变化,竖直金纳米棒所对应的偶极明模在平行双长条金纳米棒对应的暗模作用下会产生分裂.依据这一结果提出了一个新的物理解释,PIT现象的产生主要来自于竖直金纳米棒中偶极振荡的模式分裂后的相干叠加.同时,考虑到两个振子之间的耦合会伴随着一定的相位关联性,进而引入了耦合相位因子修正了洛伦兹振子耦合模型,解析地研究了耦合相位因子对吸收谱的调控作用和分裂明模之间的相干叠加效应对PIT效应的影响.这为在纳米尺寸范围设计人造原子、光开关、慢光效应等方面的应用提供了理论参考.     

金-银纳米棒异质二聚体的Fano共振及其传感性质研究

本文我们通过有限时域差分法模拟研究了金-银纳米棒异质二聚体的光学等离子体耦合。在消光谱中,发现较短的银纳米棒产生的偶极明模式和较长的金纳米棒产生的四极暗模式产生了干涉相消耦合,从而出现了Fano共振。通过改变金属纳米棒的长度、距离和周围环境可以调控Fano共振的共振波长和强度。金-银纳米棒异质二聚体对周围环境变化具有较高的灵敏度,其品质因数大于8.5。由于金银异质体有比较好的抗腐蚀性和比较低的生物毒性,这使得它有望成为新一代基于表面等离子体Fano共振的生物传感器和分子探测器。     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5 μm、石墨烯费米能级为1.5 eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象（英文）

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5μm、石墨烯费米能级为1.5eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

基于类电磁诱导透明的双频段太赫兹超材料的传感和慢光特性

提出并研究了一种由三组明模组成的类电磁诱导透明太赫兹超材料结构.两组具有相似共振频率的明模为两个弱杂化态,能量在两个共振点之间来回振荡,产生相消干涉,在两个共振点之间产生透射窗口.该超材料的三组明模两两耦合干涉产生双频段的类电磁诱导透明效应.根据仿真曲线和电场分布,分析了超材料的类电磁诱导透明形成机理.此外,通过仿真和计算研究了超材料的传感特性,在待测物的最佳厚度下,两个类电磁诱导透明窗口的折射率灵敏度可高达451.92和545.31 GHz/RIU.通过对6种石油产品的传感仿真,验证了双频段超材料比单频段超材料在介电常数匹配方面更具有优势.还研究了所设计的超材料在慢光效应下的特性.这两个窗口的最大群时延分别可达9.98和6.23 ps,此超材料在高灵敏度传感器和慢光器件领域具有重要的应用价值.     

基于石墨烯超表面的宽带电磁诱导透明研究

提出了一种新的基于石墨烯超表面的复合结构,该结构由带有空气槽的石墨烯条、氮化镓、二氧化硅和二氧化钛组成.通过时域有限差分法研究了该结构的电磁特性,研究结果表明,该结构具有更宽频带的电磁诱导透明特性.从结构参数、电磁场分布等方面研究了电磁诱导透明的物理机理.在该结构中,石墨烯条作为明模存在,耦合作为暗模的空气槽和氮化镓侧板,即存在两种明暗模耦合的现象,因此产生宽带的电磁诱导透明现象.从研究结果发现该结构可以产生多个频点的慢光效应和传感效应,因此在光存储、红外波段的传感器设计中具有一定的指导意义和潜在的应用.     

电子能量损失谱探测银纳米棒与介质层强耦合的数值模拟

表面等离激元与量子发射体间的强耦合现象通常通过散射、吸收以及荧光等远场光谱探测方法进行研究.利用高度聚焦的电子束,电子能量损失谱能够实现亚纳米尺度的局域探测,可以更加有效地研究强耦合现象.本文在理论上分别模拟了银纳米棒、介质材料以及介质层包裹银纳米棒复合结构的电子能量损失谱.得到了可以与实验结果比拟的银纳米棒表面等离激元的电子能量损失谱.在上述复合结构的电子能量损失谱中观察到了谱峰的拉比劈裂,探究了银纳米棒尺寸对拉比劈裂的影响.分别在红外、可见光波段讨论了介质层的元激发与银纳米棒偶极辐射及高阶非辐射表面等离激元模式间的强耦合现象,从损失谱的空间分布成像角度探讨了强耦合引起的杂化等离激子(plexciton)的形成.本研究对强耦合现象的进一步实验和理论研究具有指导意义.     

基于游标效应的高灵敏度光纤耦合器折射率传感器

为解决传统光纤折射率传感器灵敏度较低的问题,提出一种基于游标效应增强的拉锥光纤耦合器折射率传感器。利用拉锥光纤耦合器的双折射效应,在耦合器中形成x偏振态和y偏振态两路模式(奇模与偶模)干涉,两路略有差别的干涉通过叠加,形成游标效应。通过理论分析和数值计算,发现当拉锥耦合器的宽度为1.6～3.2μm时,奇模与偶模的群双折射系数差值会出现零点,折射率传感器的灵敏度会得到显著增强。在理论分析和数值仿真的基础上,实验研究了宽度为1.6μm的光纤耦合器的折射率传感性能,并在折射率1.333附近获得了30020.0nm/RIU和-34402.5nm/RIU的超高灵敏度。该传感器制作简单、结构紧凑且成本较低,在高灵敏度生物医学检测和分析化学领域具有重要应用前景。     

基于全介质超表面的电磁诱导透明研究

设计了一种基于TiO2介质的全介质电磁诱导透明超表面模型,该结构由两根十字垂直交叉的介质棒和四个介质方块组成.在入射电磁场的作用下,介质棒中直接被入射电磁场激励的米氏电谐振通过相互耦合作用激发了介质方块中的磁共振,并产生谐振模之间的相消干涉,从而产生了类电磁诱导透明现象.利用电磁仿真软件和双谐振子耦合模理论,模拟计算和定量分析了类电磁诱导透明效应,结果表明:在电磁波正入射下,该结构在0.552THz处产生一透射率接近96%的透明窗口.由于其结构单元具有4度旋转对称性和多个暗模谐振元素,使得诱导透明效应出现较宽频带且呈现出对入射电场极化方向不敏感的特性.     

开放式多通道多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器

基于多芯少模光纤结构特性,提出了一种具有开放式感知通道的多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器.建立了多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器的模型,利用有限元方法分析了纤芯气孔间距、膜层厚度、膜层材料以及不同传输模式对传感器性能的影响,并讨论了传感器多通道感知性能.仿真分析发现,纤芯气孔间距决定了倏逝波的耦合强度,材料特性和模式共同影响了表面等离子体共振峰的位置和灵敏度.经过计算可知:当单个凹槽传感通道上沉积100 nm铟锡氧化物薄膜,分析物折射率范围为1.33—1.39时, LP11ax模式对应的平均光谱灵敏度为12048 nm/RIU(其中RIU为折射率单位,即refractive index unit),最高灵敏度为20824.66 nm/RIU,最大折射率分辨率可达4.8×10~(–6) RIU;当光纤外围凹槽镀上不同厚度的金膜、银膜和铟锡氧化物膜时,既可以单独探测生物物质,也可以联合检测同一生物物质,实现了传感通道的控制灵活性和测试物质的多样性.     

基于MIM谐振腔内嵌金属方芯结构的可调谐Fano共振

设计了一种由内嵌金属方芯的金属-绝缘体-金属方形气腔以及两个侧耦合波导组成的耦合结构,并采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:通过对气腔内金属方芯偏离角和偏离距离的调节可以获得并调制Fano共振;该Fano共振由对称破缺或几何效应影响左右波导和谐振腔之间耦合区域中的场分布强度所致,场分布模式的变化是由波导模和腔模之间的干涉引起的.此外,Fano共振的光谱位置和调制深度对偏差参数十分敏感,通过计算不同偏差角及偏差距离下的折射率传感特性发现,其折射率敏感度最高达1 508nm/RIU,品质因数最高达1 308.研究结果为设计更加灵活、简单、高效的片上等离子体纳米传感器提供了理论依据.     

基于Fano共振的金属-绝缘体-金属-石墨烯纳米管混合结构动态可调折射率传感器

为了解决传统金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal,MIM)波导结构传感器不可动态调控的问题,本文将石墨烯纳米管引入MIM波导耦合圆环谐振腔结构,设计了一种动态可调的MIM-石墨烯纳米管混合结构折射率传感器.采用有限元法对系统的传输特性、电场分布和磁场分布进行数值研究,并通过多模干涉耦合模理论进行分析验证.结果表明,Fano共振源自于TM₁₀腔共振模式和石墨烯等离子体电共振模式之间的相干耦合.通过改变石墨烯的化学势可以在较大波长范围内动态调谐Fano共振的谐振波长和线宽,从而实现折射率传感器的动态调控.在最佳结构参数下,传感器灵敏度可达1250 nm/RIU.与传统的MIM波导结构相比,该器件具有结构简单、动态可调、易于加工且工作波段范围大等诸多优点,对设计可动态调控的高性能纳米光子集成器件具有一定的指导意义.     

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中,多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差,再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移,通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU和0.0501nm/℃(其中RIU为折射率单位);1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26nm/RIU和0.0505nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20℃~90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU和0.0465nm/℃;1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24nm/RIU和0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。     

基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论,分析了U型光纤传感器的传感原理,指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器,把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中,研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0mm时,传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象;当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时,光谱损耗峰波长发生红移,且弯曲半径越大,折射率传感灵敏度越高;在曲率半径为5mm时灵敏度为207nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220nm/RIU(折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例,当曲率半径为4mm时,损耗峰半高宽最小达3.2nm.综合半高宽和灵敏度两个参量,得出曲率半径4.5mm的U型光纤传感器品质因素最高,分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2RIU-1(折射率1.40~1.42RIU),可直接由SM-28单模光纤制成,且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理,具有很好的应用前景.     

基于四盘形谐振腔耦合波导的三波段等离子体诱导透明效应

为了降低功耗、实现超快速响应和动态可调谐,设计了基于四盘形谐振腔耦合等离子体波导系统.使用两种不同的方法理论分析了等离子体诱导透明(PIT)效应:一种是明暗模式谐振腔之间的直接相消干涉,另一种是谐振腔之间通过等离子体波导的间接耦合.采用光学Kerr效应超快调控石墨烯-Ag复合材料波导的传输相移,实现了1 ps量级的超快响应时间.当泵浦光强低至11.7 MW/cm²时,等离子体诱导透明系统能够实现透射光谱2π相移.通过耦合模式理论和时域有限差分法,研究了模型的三波段PIT效应及其慢光特性.研究表明,系统透射谱的透射峰值超过80%,最大群折射率高达368.并且,整个系统的尺寸小于0.5μm².研究结果为低功耗、超快速、超紧凑型和动态可调谐的多通道光滤波和光存储器件的设计和制作提供了思路.     

光强检测型空芯光纤表面等离子体共振传感器

提出了基于光强检测方式的空芯光纤表面等离子体共振(SPR)传感器。采用波长为532nm的激光作为光源,对所设计传感器的性能进行了研究,并采用光传输模型对传感器的性能进行了理论分析,所得理论结果与实验结果相符。传感器在线性区的最高灵敏度和最佳分辨率分别达到8380.3μW/RIU和5.5×10~(-6) RIU。相比于波长检测型空芯光纤SPR传感器,所提传感器的分辨率提高了2个数量级,且实验系统简单,有利于器件的进一步小型化。     

基于单劈裂环-双劈裂盘结构的多重磁Fano共振（英文）

采用有限元方法对单劈裂环-双劈裂盘纳米结构的表面等离激元共振进行了理论研究.当入射光垂直于结构表面时,亮磁模式和暗磁模式相互干涉会产生磁Fano共振.当双劈裂盘、空腔和单劈裂环的间隙同时沿x轴负方向偏移时,可产生高阶磁模式和双重磁Fano共振.在此结构的基础上,进一步调节单劈裂环的间隙宽度,可以在近红外区域增强磁模式的强度,并产生三重磁Fano共振;同样地,通过调节双劈裂盘的上劈裂角,在可见光区域可得到新的高阶磁模式,并产生三重磁Fano共振.此外,该结构的最大灵敏度和磁场增强分别达到1 400nm/RIU和69.7倍.这些光学特性使得该结构在超灵敏度生物传感器和多控磁Fano开关领域具有潜在的应用价值.     

基于耦合T型空腔的多重法诺共振现象

提出由T型空腔和挡板组成的两种金属-电介质-金属(MIM)波导结构,分别为:正T型空腔结构和倒T型空腔结构,并应用有限元法系统地研究了该结构的透射特性.对于正T型空腔结构,仿真结果出现了双重法诺共振现象,并且共振波长可以通过改变T型空腔长度和高度进行调节.该结构有助于设计成敏感度达到1 620nm/RIU、品质因数为5.4×10~4的纳米传感器.对于倒置T型空腔,在波导中产生了多重法诺共振现象,其敏感度可达1 560nm/RIU,品质因数为9.37×104.该结构有望在光学集成回路,特别是纳米传感器、光束分路器方面具有广泛应用.