等离子体纳米结构中的Fano共振效应及其应用

Fano共振效应是一种具有非对称线型的共振散射现象,起源于共振过程和非共振过程的量子干涉效应。近年来,在等离子体纳米结构中Fano共振现象也被发现,并成为纳米光子学的一个研究热点。等离子体Fano共振通常具有较窄的光谱线宽,且不能直接与入射光耦合,只能局域在近场,强的近场局域特性可以获得巨大的表面电磁场增强。由于等离子体Fano共振独特的光学特性,已经被应用到单分子探测、高灵敏度传感、增强光谱、完美吸收、电磁诱导透明和慢光光子学器件等众多领域当中。     

表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.     

表面等离子共振效应中传统近似理论与薄膜光学理论

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性,采用更为严密的薄膜光学理论,通过薄膜膜系的特征矩阵,得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明,表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别;采用等高线图,给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明,薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好,证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后,采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计,结果表明,两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大,必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量,来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.     

反射式光纤表面等离子体波共振传感器特性研究

研究了一种基于表面等离子体波共振(SPR)光谱分析的折射率检测新方法。研究发现,表面等离子体波共振效应光谱特征的折射率灵敏度会随着液体性质变化而发生改变。根据折射率测量范围不同,分别选择共振波长和共振强度作为检测参量,实现理论折射率分辨力达到10~(-5)数量级以上。在理论分析和实验基础上,设计出一种基于共振光强检测的终端反射式光纤表面等离子体波共振效应传感系统,采用将传感信号和基准光信号的比值作为液体折射率变化的度量值。在1．3325～1．3991的折射率测量范围内,度量值与折射率之间呈现单调递减关系,线性相关系数为0．9983。通过定义耦合系数,还可实现对表面等离子体波共振效应效应强弱和变化趋势的评估。     

基于双电介质层的棱镜表面等离子共振传感的研究

为了提高表面等离子共振系统的分辨率,提出了一种五层结构的表面等离子共振效应的激励模型:棱镜基底-银膜-电介质层1-电介质层2-待测介质.采用薄膜光学和波导理论,讨论了银和双电介质层复合而成的共振薄膜对表面等离子共振效应的激励机理与调制特性的作用.借助有限元分析方法,数值模拟得到双电介质表面等离子共振激励模型的共振光谱.分析结果表明,当待测介质折射率相同时,双电介质表面等离子共振激励模型共振光谱的半峰宽约为传统棱镜表面等离子体共振的0.1倍,理论计算得到双电介质表面等离子共振激励模型的系统分辨率相较于传统棱镜表面提高了5.4倍.以乙二醇溶液为待测样本,分析得到传感器的灵敏度约为7.2°/RIU,品质因数约为465,证明了该结构设计的可行性,为设计高分辨率和高品质因数的传感系统提供了理论参考.     

表面等离子体波传感器角度敏感特性的研究

研究了表面等离子体波共振(SPR)光谱对入射光角度变化的敏感特性,提出了对共振波长和共振强度进行双参数检测的方法。理论分析和实验表明,共振波长和共振强度同时对入射角度的微小改变非常敏感,且相互之间具有良好的对应关系。通过选择合适的棱镜、金属薄膜、调制层等结构参数,能有效地调整角度敏感的范围和灵敏度。     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

 基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响

空心方形纳米结构能够激发更大面积的增强电场,故其可以作为衬底用于表面增强拉曼散射.应用离散偶极子近似算法研究了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布与入射光偏振方向之间的关系.研究表明,空心方形银纳米结构的表面等离子体共振峰不随入射光偏振方向的改变而移动,但是其表面增强电场分布却强烈地依赖于入射光的偏振方向.另外,还讨论了空心方形银纳米结构间的耦合作用对其表面等离子体共振模式的影响.结果发现,可以通过调节结构间的距离来改变结构间的耦合作用,同时改变了表面等离子体共振峰的位置.这些结果将为理解闭合纳米 关键词： 空心方形银纳米结构 表面等离子体 偏振 电场耦合     

基于表面等离子体共振的水质分析系统稳定性研究

根据表面等离子体共振的原理,建立了可用于长期、实时、不间断检测的水质分析系统.为了提高系统的稳定性,对表面等离子体共振传感芯片进行了改进,利用LB法在传感芯片的金属膜表面镀制了聚苯乙烯（PS）层.利用改进前后的表面等离子体共振传感芯片分别对两种样品进行了稳定性实验研究.分析经过长时间检测前后所测得的实验数据,发现改进后的水质分析系统所测得的溶液表面等离子体共振共振角的变化为改进前系统的1/10,最小反射率改变为改进前的1/30.实验证明,经过改进的水质分析系统能更适用于长期不间断的检测分析.     

微波等离子体离子束刻蚀技术

自行设计研制了一台微波电子回旋共振等离子体刻蚀系统。该系统采用微波直接通过石英窗口产生右旋圆极化波，由Nd—Fe—B永磁磁钢形成高强磁场，通过共振磁场区域内的电子回旋共振效应产生均匀的高密度等离子体。利用该系统，结合光刻技术和反应离子束刻蚀技术，在以碳氢（CH）等元素为主要组成的有机聚合物（PMMA）表面制备出线宽3-4μm的光栅形图形。原子力显微镜（AFM）测试结果表明，所得图形线条清晰，侧边比较陡直。     

Tunable local surface plasmon resonance in liquid-crystal-coated Ag nanoparticles

The far-field and near-field properties of a spherical nematic liquid crystal (NLC) coated metal nanoparticle (NPs) have been investigated in an external field, basing on the quasistatic theory. The resonant wavelength is tunable by varying metallic material of core, anisotropy extent and thickness of liquid crystals (LCs). The field enhancement is along the incident polarization near the outer surface of the shell. The direction of field is reverse in the inner surface comparing with the one if outer shell. In contrast to isotropy shell, the surface plasmon resonance (SPR) shows an obvious red shift and field enhancement near outer surface of the shell always is stronger.     

Magnetized SPR sensor for enhanced functionality

It is known that a magnetic field changes the RI and the SPR angle of specific analytes. We have applied an external magnetic field to a surface plasmon resonance (SPR) sensor to exploit this phenomenon. A gold film is used for excitation of SPR in the sensor with a Kretschmann configuration. According to the concentration of 4-type analyte, we observed unique changes of the SPR angle due to the magnetic field, providing better classification of material type than a conventional SPR sensor.     

用扫描近场光学显微镜技术研究金膜表面等离体子共振

表面等离体子波(SPW)可与入射光横磁波极化能量耦合并被共振激发,这种现象被称为表面等离体子共振现象(SPR)。主要利用扫描近场光学显微镜(SNOM)技术和表面等离体子共振现象技术相结合,来研究金膜表面等离体子共振。设计并建立了结构独特的新型Kretschmann型表面等离体子共振现象耦合装置,同时又设计了具有厚度梯度的表面等离体子的制备方法。在此基础上,测量了改变入射角条件下的表面等离体子共振曲线,测得该装置的等离体子共振角灵敏度为1°。并且对金膜表面进行表面等离体子共振条件下的扫描近场光学显微成像。实验结果表明,在共振时金膜表面的扫描成像比不共振时清晰,而且增加了很多细节。应用表面等离体子共振现象技术将可以明显提高扫描近场光学显微镜的信噪比、分辨力等性能。     

基于超精细结构下的激光光泵铯磁力仪的理论研究

激光光泵碱金属磁力仪具有很高的灵敏度,测量范围可以从地球磁场到生物磁场。给出了铯（Cs）光泵磁力仪的理论分析和系统设计以及磁场梯度测量原理,铯原子能级在I—J耦合时形成超精细结构,在外磁场的作用下超精细结构进一步产生塞曼分裂形成塞曼子能级,利用激光泵浦和射频磁场能够使电子在超精细结构中进行能级跃迁,产生光磁双共振的结果,最终通过共振频率就能够达到精确测量外磁场的目的。     

Design of a silicon-based plasmonic optical sensor for magnetic field monitoring in the infrared

Surface plasmon resonance (SPR) sensor chip is proposed for magnetic field monitoring in the infrared wavelength region. The structure is based on silicon substrate and gold as SPR-active metal used with an appropriate magnetic fluid film. The angular interrogation method has been used to study the sensor’s performance in terms of large shift and small width of the SPR curve for a wide range of magnetic field between 30 and 220 Oe. The effect of field incidence angle is also studied on the proposed sensor’s performance, and it is observed that the field should be incident as parallel to the magnetic fluid surface as possible. Any possibility of oxidation problem to the proposed SPR sensor is addressed by using a stable buffer layer. All the performance parameters were found to be significantly large for the above field incidence condition. The proposed sensor is able to achieve a resolution of the order as high as 0.18 Oe for magnetic field detection.     

利用矩形金属周期阵列实现局域电场的增强和共振波长的可控

基于表面等离激元共振(SPR)的原理,设计了一种具有矩形凹槽周期阵列微结构的金属增强基底。利用有限元方法对基底表面附近电场的分布进行了理论模拟分析,结果表明在SPR共振情况下,其凹槽微结构坑口处可得到强局域场,局域电场强度E_max／E₀可达20。通过改变结构的周期、凹槽长度l、宽度w以及环境介质,SPR共振峰发生规律性的移动,波长覆盖范围为500～1 000 nm。入射光沿x方向偏振的情况下,随着结构x方向周期P_x的增加,SPR共振峰明显红移。当入射光波长与P_x相当时,观察到凹槽内局域电场突然减小的现象。这是由于满足了波矢匹配条件,传播型SPP被激发导致的。改变凹槽长度l,发现共振波长随l的增加红移,近似呈线性关系。环境介质折射率的增加也会引起共振峰的红移。而凹槽宽度w的增加将导致其蓝移。这种规律性的移动为实现共振波长的调控提供了途径。受Jain研究报道的启发,矩形凹槽结构可以等效为两对偶极耦合模型的组合,从而解释SPR共振峰随结构参数变化而发生的移动。     

Net lateral shift of reflected beam due to surface plasmon resonance in Kretschmann configuration

When surface plasmon resonance is excited in Kretschmann configuration, the maximum Goos–Hänchen shift occurs at the resonant angle which is associated with the minimum value of reflectivity, but the maximum angular shift occurs at two incident angles beside the resonant angle. When the reflected beam is detected at Rayleigh range, the maximum net lateral shift of the reflected beam does not encounter the resonant angle and its magnitude is lager than that of Goos–Hänchen shift. Numerical simulation shows that theory agrees well with numerical results when the beam width is large enough.     

Effect of metamaterial layer on optical surface plasmon resonance sensor

In this paper an optical surface plasmon resonance (SPR) sensor with metamaterial for four and five layered structure is studied. The numerical results presented in this paper leads to a significant properties of metamaterials in sensing field. Computed results of SPR sensors using metamaterial are compared with conventional optical SPR sensors for four and five layered structure. It is seen that wider dynamic range or effective range of measurable refractive index increases when metamaterial layer is used. It is also verified that SPR sensor with metamaterial layer can dramatically enhance the resolution and reduce the reflectivity compared with conventional SPR. Validity of the magnetic field results is proved on the basis of smooth match of the fields in the different layers of the proposed optical SPR sensor.     

外腔共振和频系统中阻抗匹配的理论研究

外腔共振是提高和频效率的有效方法. 实现外腔共振高效和频需要基频光高效地耦合到外部谐振腔中, 因此系统要达到阻抗匹配. 本文分别建立了双波长和单波长外腔共振和频系统的理论模型, 分析了腔增强因子与耦合腔镜反射率、入射基频光功率等参数的依赖关系, 通过数值模拟获得最优化的共振光耦合腔镜反射率, 使系统达到阻抗匹配, 提高和频效率. 研究表明, 无论双波长还是单波长外腔共振和频系统, 共振基频光的最佳耦合腔镜反射率只会随着另一束共振或者不共振的基频光入射功率的增加而减小, 而其本身的入射功率变化则影响较小; 进一步分析表明, 若共振基频光的耦合腔镜反射率超过阻抗匹配值, 和频光功率将会迅速减小, 而小于阻抗匹配值时, 和频光功率减少速度相对较慢, 因此实验过程中要尽量避免过耦合的情况出现. 本文的理论分析过程将对外腔和频实验有一定的指导意义.     

一维反铁磁光子晶体光学双稳态效应研究

基于传递矩阵方法和光局域化原理, 本文研究了一维反铁磁光子晶体共振频率附近光学双稳态效应随电磁波入射角、 外磁场强度及电介质层数的变化.研究发现, 当外磁场为1.0 kG(1 G=10^-4 T)、电磁波小角度入射时, 反铁磁材料高低共振频率附近均可探测到光学双稳态效应; 当电磁波大角度入射时, 仅在高共振频率附近探测到光学双稳态效应. 然而, 当外磁场强度增加到2.0 kG时, 由于反铁磁材料的高低共振频率向两侧移动, 低共振频率附近缺失的光学双稳态频率窗口又被有效激发. 此外, 电磁波小角度入射时, 电介质层数在低共振频率附近对双稳态效应影响较明显.