基于表面等离子激元的双金属光栅结构提高LED光提取效率的研究

为了提高GaN基LED的光提取效率,构建了一种在金属银膜上下表面分别刻蚀光栅结构的双光栅LED模型。利用时域有限差分法（FDTD）进行数值模拟,比较了无银膜、无光栅、单光栅、双光栅模型下LED的光提取效率。结果表明：在光栅周期为300 nm,占空比为0.23,银膜厚度为30 nm,光源深度为150 nm时,光提取效率较单光栅结构提高了6倍,较无光栅结构提高了16倍。     

基于厚金属狭缝阵列的表面等离子激元光刻

提出一种利用厚金属狭缝阵列耦合激发表面等离子激元制作非周期图形的纳米光刻模型.采用时域有限差分电磁场模拟仿真软件研究了厚金属狭缝阵列中表面等离子激元的激发、模式选择以及光刻胶中的光场分布.结果表明,通过优化厚金属狭缝阵列结构参量和匹配介质参量可有效抑制表面等离子激元在光栅狭缝出口处的发散,增加表面等离子激元的穿透深度,...     

基于厚金属狭缝阵列的表面等离子激元光刻

提出一种利用厚金属狭缝阵列耦合激发表面等离子激元制作非周期图形的纳米光刻模型.采用时域有限差分电磁场模拟仿真软件研究了厚金属狭缝阵列中表面等离子激元的激发、模式选择以及光刻胶中的光场分布.结果表明,通过优化厚金属狭缝阵列结构参量和匹配介质参量可有效抑制表面等离子激元在光栅狭缝出口处的发散,增加表面等离子激元的穿透深度,可获得高分辨率的较大曝光深度的周期和非周期纳米图形,可为纳米激光直写技术提供有益的借鉴.     

金属纳米颗粒的导入对顶发射OLED光取出影响的FDTD模拟与研究

由于有机发光二极管（OLED）中存在金属阴极和有机层界面,故部分光子会转化为表面等离子激元沿金属表面传播耗散掉。同时,金属阴极自身也会吸收部分光能量。这两种情况均会导致器件出光率降低。分析了在结构为Ag （100 nm）/MoO₃（5 nm）/NPB （35 nm）/EML （20 nm）/Alq₃（40 nm）/Al （20 nm）/MoO₃（50 nm）的器件内部引入银纳米颗粒（Ag NPs）或者金纳米颗粒（Au NPs）后器件出光效率的变化。同时,改变金属纳米颗粒的位置以观察其对出光效率的影响。利用有限差分时域法对无金属纳米颗粒的器件和金属纳米颗粒位于器件不同位置时的出光效率进行了模拟计算。结果显示,Ag NPs或者Au NPs都可以提高器件出光效率且Ag NPs优于Au NPs。在468 nm波长下,Ag NPs位于Al阴极表面、电子传输层（ETL）中间和Ag表面时器件的透光率分别是51.1%,50.5%和45.5%,而未掺杂Ag NPs的参考器件的透光率仅为43.3%。     

时域有限差分法分析蚀刻衍射光栅的后向衍射效率

采用时域有限差分法(FDTD)结合理想匹配层(PML)边界条件及周期性边界条件对两种结构槽面的后向衍射效率进行了分析,在P偏振和S偏振两种情况下,均得到了比传统差分方法和射线近似方法更精确的解.数值计算结果表明:全内反射(TIR)结构在高折射率材料(如InP)的蚀刻衍射光栅(EDG)中很有效,而在低折射率材料(如SiO₂)的EDG中效果不理想.     

一种提高OLED基底出光效率的亚波长光栅设计

为了提高OLED出光效率,在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构,并结合等效介质理论和薄膜光学原理,设计光栅参数:刻蚀深度0.29 μm,周期大小0.165 μm,底边直径与周期的比值等于1,可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响,结果表明,出光效率最高可提高30%。     

太赫兹波段表面等离子体波传播距离的调控

设计刻槽深度渐变的金属光栅,利用截止频率控制太赫兹表面波的传播距离.金属光栅刻槽深度在60μm时的截止频率为0.6THz,120μm时的截止频率为1.1THz.同时根据半导体材料InSb在太赫兹波段的色散特性、载流子浓度和迁移率的经验公式、光栅结构的等效介质理论设计了温控的半导体光栅.在270~300K温度范围内,半导体光栅中表面波的传播距离和温度成正比,300K时传播距离为270K时的2~3倍.     

金属纳米颗粒对有机太阳能电池光吸收效率影响的研究

借助时域有限差分法,对几种常见金属纳米颗粒影响有机太阳能电池光吸收效率的因素及其内部物理机制进行了研究.首先对金属纳米颗粒激发局域表面等离子共振的场分布特点进行分析,对比其在电池不同功能层中对光吸收率的影响;其次基于米氏理论与电共振效应,得出金属纳米颗粒的结构参量对局域表面等离子共振位置及强度的影响规律,并以此进行优化设计.结果表明,具有高对称性形貌的金属纳米颗粒以小尺寸密堆积结构引入电池活性层,能够促进电池光吸收增强三倍以上.     

金属纳米颗粒对有机太阳能电池光吸收效率影响的研究

借助时域有限差分法,对几种常见金属纳米颗粒影响有机太阳能电池光吸收效率的因素及其内部物理机制进行了研究.首先对金属纳米颗粒激发局域表面等离子共振的场分布特点进行分析,对比其在电池不同功能层中对光吸收率的影响;其次基于米氏理论与电共振效应,得出金属纳米颗粒的结构参量对局域表面等离子共振位置及强度的影响规律,并以此进行优化设计.结果表明,具有高对称性形貌的金属纳米颗粒以小尺寸密堆积结构引入电池活性层,能够促进电池光吸收增强三倍以上.     

金属-介质光栅结构表面等离子体耦合效率的模拟研究

表面等离子体可以将光子局域在金属表面附近, 并形成很强的近场能量密度, 可以大大提高金属表面附近分子的发光效率和光电转换吸收材料的利用率, 从而提高发光器件和光电转换器件的效率. 本文研究了在一维周期性金属-介质混合结构的光栅中表面等离子体激元的耦合条件, 给出了耦合效率随着结构和填充因子的变化, 并证明了在光栅的填充因子较高以至光栅的金属间隔较小时, 光子耦合成为表面等离子体的效率较高, 可以达到94%以上. 关键词： 表面等离子体激元 填充因子 光栅 吸收光谱     

基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化

为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率,采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。利用三维时域有限差分算法,分析表面等离激元作用下,长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。计算结果表明,对于8 m的入射光,当光栅周期P=2.8 m,孔直径D=1.4 m,光栅层厚度L=0.04 m时,X Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高。     

Numerical investigation of the enhanced unidirectional surface plasmon polaritons generator

A unidirectional surface plasmon polaritons(SPPs) generator with greatly enhanced generation efficiency is proposed. The SPPs generator consists of an asymmetric single nanoslit coated with a polyviny alcohol(PVA) film and a silver rectangle block. The generation efficiency of this SPPs generator is investigated using the finite difference time domain method. Due to the presence of the silver rectangle block, the SPPs generation efficiency of the asymmetric single nanoslit with PVA film can be greatly enhanced and the corresponding wavelength with the maximum enhancement factor can be tuned flexibly. The influence of the structural parameters on the generation efficiency is also investigated for the enhanced unidirectional SPPs generator.     

表面等离子体-微腔激元对顶入射有机薄膜太阳能电池光吸收效率的增强

为了提高顶入射有机薄膜太阳能电池(TOSCs)的光吸收效率,我们将周期性矩形光栅结构引入到TOSCs中,分析了具有光栅结构的空气/Ag_1/有源层/Ag_2/空气(IMIMI)结构理想模型中复合表面等离子激元(SPPs)与微腔模式的耦合机制。通过调节光栅周期和有源层厚度,实现了复合SPPs、微腔模式以及有机材料本征吸收3个区域的重合。由于复合SPPs与微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等离子体-微腔激元,其局域场增强作用有效地提高了有源层的光吸收效率,提高了近19%。     

基于表面等离子体共振增强的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计研究

金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径. 关键词： 表面等离子体 锗探测器 时域有限差分仿真     

Analysis of coupling in the semi-cylindrical surface plasmonic couplers

In this paper, we have investigated the performance of a nano-optical directional coupler based on gap plasmon waveguides. The coupler consists of two waveguides having a localized coupled plasmon propagating between two semi-cylindrical surfaces. It is clear that the wave number and correspondingly light confinement in the waveguides are the most effective parameters in coupling strength and coupling length. Some expected and unexpected dependencies of the coupling length on the structure parameters are shown. Simulation results of the coupler obtained by the compact-2D finite-difference time-domain (FDTD) method comply with those derived by an analytic method with the aid of the finite-element frequency-domain (FEFD) software package of COMSOL. The considered structures, because of their small coupling length and dimensions are appropriate for use in optical integrated circuits.     

银层超透镜光学传递函数的研究

银层超透镜对基于表面等离子体激元的超分辨光刻、 成像和生物传感有着重要作用.利用银层超透镜的光学传递函数详 细研究了银板的表面等离子体激元共振和成像特性, 并利用时域有限差分法计算模拟了银层超透镜的成像过程, 得到与理论推导公式相符合的结果, 证明了光学传递函数的可靠性, 为基于表面等离子体激元的传感器件、 超分辨成像以及辅助增强干涉光刻提供了快速参数优化方法.     

Design and simulation of apodized wavelength filters using Gaussian-distributed sidewall grating

An accurate design for an apodized integrated optical wavelength filter using Gaussian-distributed sidewall Bragg grating is proposed, 2-dimensionally simulated and analyzed using the finite-difference time-domain method. It is verified that for various grating periods, the central wavelengths of the reflection bands are all fixed at designed 1.55 μm with the side lobes well suppressed.     

Resonant light absorption and plasmon tunability of lateral triangular Au nanoprisms array

Optical characteristics and electric field distribution of triangular Au nanoprism in a unit and units array under polarized light irradiation were systematically studied by numerical simulation with finite difference time domain method. It is found that the plasmonic properties of the triangular nanoprism are dominated by the electric polarization rather than the wave propagation. The triangular nanoprism presents similar optical response with a strong dipole band under different wave propagations if the electric polarization vectors are parallel to the triangular cross section. The lateral triangular Au nanoprisms array possesses a large tunability of the plasmonic properties contributed from the combined influence of inter-particle distance, particles size, polarization angle and even environmental medium. From the plasmon band shift versus the refractive index, ultra-high local surface plasmon resonance sensitivity (509.96 nm/RIU, figure of $\text{merit}=5.55$) is reached at $\sim 850\text{nm}$, making this array promising for biochemical sensing applications.