表面等离子体波在金属纳米缝超强透射中的作用(英文)

A single metallic nanoslit is employed for investigating the contribution of Surface Plasmon Polaritons(SPPs) to Extraordinary Optical Transmission(EOT) based on rigorous electromagnetic theory and the Spectrum Analysis Method(SAM). Numerical results shows that the SPP is the main factor responsible for the EOT, and a phase singularity is observed.     

基于表面等离子体共振和定向耦合的光子晶体光纤传感器

设计了一种具有较大动态检测范围的新型光子晶体光纤折射率传感器。光子晶体光纤中一个空气孔镀上金纳米薄膜作为表面等离子体共振传感通道用来检测低于石英基底材料的液体折射率,一个空气孔填充待测液体作为定向耦合器通道用于检测高于石英基底材料的折射率。该传感器可以实现折射率为1.32~1.52范围内的检测,且具有较高的传感灵敏度。在各向异性的完美匹配层(PML)下利用全矢量有限元法(FEM)对该传感器特性进行了数值研究,结果表明:在1.32~1.44和1.46~1.52的折射率范围该折射率传感器灵敏度最高分别可达13500 nm/RIU和28700 nm/RIU,RIU为折射率单位。     

折射率对金属-电介质-金属光子晶体强透射特性的影响

通过改变一个薄电介质层的折射率来研究其对金属-电介质-金属光子晶体(M-D-MPhC)强透射特性的影响。采用与CMOS工艺兼容技术制作了由折射率分别为[nd(SU-8)=1.6,nd(SiO2.1N0.3)=1.6和nd(SiO0.6N1)=1.8]组成的三个正方形晶格圆孔阵列M-D-MPhC结构,利用傅里叶变换红外光谱仪测量其透射光谱。实验结果发现,金-SiO2.1N0.3-金结构能够获得较强的光透射增强效果和较窄的透射峰,证明了M-D-MPhC强透射特性既与中间电介质折射率大小有关,又与其材料制作工艺差异有关。采用时域有限差分(FDTD)法模拟了在相同条件下折射率分别为1.6和1.8组成的M-D-MPhC透射光谱和电场强度密度分布,模拟结果较好地符合了实验发现。     

改变光子晶体表面结构对负折射透射光强的影响

以砷化镓圆形介质柱在空气中构成二维六边形排列结构的光子晶体为例,利用时域有限差分法模拟研究了光子晶体表面结构改变对负折射透射光强的影响.模拟结果表明:针对同一结构光子晶体,在可产生负折射现象的入射光频率范围,改变光子晶体表面两侧圆形介质柱的半径和顺向侧移两侧表面最外层圆形介质柱都会均对负折射透射光强产生影响.     

基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤横向应力传感器EI北大核心CSCD

基于表面等离子体共振(SPR)效应,设计了一种采用双芯结构光子晶体光纤(PCF)作为光波导的横向应力传感器。通过建立SPR耦合波模型和PCF结构的形变模型,利用全矢量有限元法进行数值模拟,获得了基模共振峰的偏移量与横向应力的关系。结果表明共振峰波长的偏移量与所施加应力具有很好的线性关系。对PCF的截面结构进行优化设计,通过选择适当的空气孔层数、直径和周期,可获得较高的测量灵敏度。该研究可为基于SPR的PCF横向应力传感器的设计提供理论依据。     

等离子体光子晶体的FDTD分析

等离子体光子晶体是等离子体和介质（真空）构成的人工周期性结构.用分段线性电流密度 递归卷积时域有限差分（PLCDRC-FDTD）算法分析了等离子体光子晶体和缺陷等离子体光子 晶体.从时域的角度分析了高斯脉冲在等离子体光子晶体中的传播过程，给出了时域反射和 透射波形.然后，从频域的角度分析了等离子体光子晶体和带缺陷的等离子体光子晶体的电 磁反射系数和透射系数.计算表明，等离子体光子晶体对频率小于等离子体频率的低频电磁 波几乎完全反射，而透射的电磁波则为频率高于等离子体频率的电磁波.在高频，等离子体 光子晶体则出现类似一般光子晶体的光子带隙特性. 关键词： 等离子体 光子晶体 时域有限差分法 等离子体光子晶体     

二维等离子体填充金属光子晶体腔体特性

设计了等离子体填充的二维金属光子晶体特殊开放腔体结构,并采用粒子模拟技术(PIC)建立了基于等离子体填充腔体结构物理模型,分析了等离子体填充下二维腔体的各模式场分布特性,以及等离子体的引入对腔体内各模式工作频率、电场幅值的影响。结果表明:腔体内各模式的电场强度随等离子体密度的增加而减弱,模式频率随背景等离子体归一化频率的提高而增加,工作模式的产生与激励方式密切相关。     

等离子体填充金属光子晶体Cherenkov辐射源模拟研究

等离子体填充能够明显提高真空电子器件的效率和功率, 研究等离子体填充器件具有重要的科学价值. 本文基于对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的分析, 利用粒子模拟方法展示了等离子体填充慢波结构中的注波互作用过程. 重点研究了慢波结构中场分布特性、等离子体密度和外部工作条件对频率及输出功率的影响. 研究发现, 填充一定密度等离子体后, 慢波结构内纵向和横向电场强度明显增大, 注波互作用增强, 输出频率受等离子体影响不大. 金属光子晶体结构具有的频率选择特性使器件工作于TM₀₁模态. 阴极电压增加使输出功率增大, 频率略有增加. 引导磁场增加使输出功率先增大后减小, 而频率基本不受影响. 等离子体填充后器件的输出功率上升, 当增加压强至100 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa) 时, 输出功率提高约20%, 但只有适当密度下才有较好的角向场分布. 通过理论与模拟相结合, 发现填充一定密度的等离子体能够提高器件输出功率和效率, 为发展新型高功率毫米波振荡辐射源奠定了理论和仿真基础.     

基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振低折射率传感器

为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚(麻醉剂重要成分)等物质的折射率检测,拓展折射率检测范围,提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成,通过对光纤抛磨,最外侧大空气孔直接与待测物质接触,实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析,结果表明,在1.12～1.37折射率范围内,传感器的共振波长位于中红外区域2 505～3 181nm,最高灵敏度为12 000nm/RIU,分辨率为8.33×10-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测,并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度,在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.     

等离子体光子晶体

提出了等离子体光子晶体的概念,研究了电磁波在等离子体光子晶体中的传播规律。从得到的色散曲线看到等离子体光子晶体具有光子能带和能隙结构。数值计算发现,等离子体光子晶体对色散有很大的影响。     

Strong optical transmission through the ellipsoid metal-film nanohole arrays

The transmission characteristics of a metallic film with subwavelength ellipsoid nanohole arrays are investigated by using the three-dimensional finite-difference time-domain (3D-FDTD) method. The extraordinary transmission is attributed to the collaboration of localized waveguide resonance and surface plasmon resonance. The influences of the lattice constant and the hole shape on the transmission are studied. By analyzing the picture of electric field and electromagnetic energy distribution, we show the mechanisms of the two different resonances: Localized waveguide resonance mode can be confined inside the ellipsoid holes region, while electric field and electromagnetic energy are localized separately at the two ends of ellipsoid holes for the surface plasma resonance mode. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60708014), the Distinguished Youth Foundation of Hunan Province (Grant No. 03JJY1008), the Science Foundation for Post-doctorate of China (Grant No. 2004035083), and the Natural Science Foundation of Hunan Province (Grant No. 06JJ20034)     

Role of localised surface plasmon polaritons coupling in optical transmission through double-layer metal apertures

In this paper, we investigate the optical properties of the double-layer metal films perforated with single apertures by analysing the coupling of localized surface plasmon polaritons (LSPPs). It is found that the amplitude and the wavelength of transmission peak in such a structure can be adjusted by changing the longitudinal interval D between two films and the lateral displacements d_{x} and d_{y} which are parallel and perpendicular to the polarization direction of incident light, respectively. The variation of longitudinal interval D results in the redshift of transmission peak due to the change of coupling strength of LSPPs near the single apertures. The amplitude of transmission peak decreases with the increase of d_{y} and is less than that in the case of d_{x}, which originates from the difference in coupling manner between LSPPs and the localized natures of LSPPs.     

The surface plasmon resonance of metal-film nanohole arrays

In this paper we investigated the enhanced transmission and surface plasmon resonance through a thin gold film with a periodic array of subwavelength nanoholes. Both freestanding gold-film nanohole arrays and gold-film nanohole arrays deposited on a gallium arsenide (GaAs) substrate are considered. Periodic arrays of nanoholes exhibit two different surface plasmon resonance features: localized waveguide resonance and the well-recognized photonic crystal resonance. The tangential electric field component $Ey$ is nonzero only in the hole region for a freestanding gold-film nanohole array, but it can exist in the hole region and in the metallic region for a gold-film nanohole array deposited on a GaAs substrate.     

基于银膜孔阵列超强透射效应的相敏表面等离子体共振传感器的仿真研究

A high spatial resolution, phase-sensitive Surface Plasmon Resonance（SPR） sensor based on Extraordinary Optical Transmission （EOT） is proposed to monitor the binding of organic and biological molecules to the silver surface. The 2D nanohole-array configuration is well suited ~br dense integration in a sensor chip. The optical geomeWy is collinear, which simplifies the alignment with respect to the traditional Kretschmann arrangement for SPR sensing. Various design parameters of the device have been studied by simulation. The heterodyne technique is used to improve the sensitivity. The optimization results indicate that the sensor has the advantages of achieving high resolution and a wide dynamic range simuhaneously.     

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振及尺寸效应

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振为二维磁光光子晶体的手征性边缘模的生成提供了重要的机制. 但目前对此类颗粒的局域表面等离激元共振效应的研究局限于长波长近似下的结果, 且缺乏对发生共振时的远场与近场特征的深入了解. 本文从散射理论出发, 计算并分析了柱状磁光颗粒发生局域表面等离激元共振的条件与特殊的场特征, 并讨论了颗粒尺寸对共振峰的影响. 计算结果解释了实验中观察到的二维磁光光子晶体的共振带隙与在长波长近似下得到的局域表面等离激元共振频率的明显偏移, 并展示了颗粒在较大尺寸下形成的高阶共振峰, 这可能有助于利用共振效应在磁光光子晶体中实现多模的手征边缘态.     

准晶体结构光纤表面等离子体共振传感器特性研究

光纤表面等离子体共振传感器在高灵敏度传感和在线实时监测等领域具有重要意义. 设计了一种六重准晶体结构环形通道光纤表面等离子体共振传感器, 基于有限元法对该传感器的传感特性进行了数值模拟. 研究了光纤各结构参量对传感器特性的影响规律. 研究结果表明: 待测液折射率的有效监测范围为1.25–1.331, 最高灵敏度可达26400 nm·RIU^-1, 传感器具有损耗谱杂峰少、探测范围广、灵敏度高、设计灵活性高和光路可弯曲等特点, 在生化检测、公共安全、环境污染监测以及高灵敏度传感等领域具有广泛的应用前景.     

The influence of hole shape on enhancing transmission through subwavelength hole arrays

The extraordinary light transmission through a 200-nm thick gold film when passing through different subwavelength hole arrays is observed experimentally. The sample is fabricated by electron beam lithography and reactive ion etching system. A comparison between light transmissions shows that the hole shape changing from rectangular to diamond strongly affects the transmission intensity although both structures possess the same lattice constant of 600,nm. Moreover, the position of the transmission maximum undergoes a spectral red-shift of about 63,nm. Numerical simulations by using a transfer matrix method reproduce the observed transmission spectrum quite well.     

基于超连续谱的光子晶体光纤表面等离子体效应

提出了利用光子晶体光纤空气孔塌缩技术制作光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,构建了空气孔完全塌缩的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器模型,并模拟计算了其中的表面等离子体共振效应。制作了全光纤化的波长检测型的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,利用超连续谱光源进行了相关实验。实验结果表明:以空气为待测环境介质时,对应的共振波长为465 nm,与理论计算相符合。     

基于超连续谱的光子晶体光纤表面等离子体效应

 提出了利用光子晶体光纤空气孔塌缩技术制作光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,构建了空气孔完全塌缩的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器模型,并模拟计算了其中的表面等离子体共振效应。制作了全光纤化的波长检测型的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,利用超连续谱光源进行了相关实验。实验结果表明:以空气为待测环境介质时,对应的共振波长为465 nm,与理论计算相符合。     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.