表面等离激元调控自发辐射研究进展

表面等离激元可以有效地调控自发辐射体的内量子效率和外量子效率,为发展高效新能源提供了可行的方案。特别是近年来,国内外研究人员将该技术应用到固体发光器件中,取得了许多有价值的研究成果。基于这些研究成果,文章介绍了表面等离激元调控固体发光器件自发辐射的原理和实验进展。     

表面等离激元亚波长光波导滤波器研究进展

综述了本研究小组有关单齿、多齿、侧耦合腔、迂回型等结构的表面等离激元波导滤波器的研究进展.在单齿状金属-电介质-金属波导结构的研究基础上,发展出对称和非对称多齿结构以及侧耦合腔型反射式滤波器、低通波长和高通波长滤波器等其他结构.时域有限差法模拟揭示了它们均可具有一定的波长选择特性,对称多齿结构展现一个宽的陡峭禁带,不对称多齿结构却能实现窄带滤波功能.分析和模拟研究均表明谷或峰的中心波长与齿的深度或宽度有关;截止型结构的截止波长则可通过改变结构的相应长度和宽度等参数来选择.这些滤波器结构有可能应用于未来的纳米集成光学回路.     

环形石墨烯纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了环形石墨烯纳米结构的等离激元激发.在低能共振区,和同尺度大小的石墨烯纳米结构相比,环形石墨烯纳米结构光谱的主要吸收峰发生了红移;体系中有两种主要的等离激元共振模式:低能成键模式和高能反键模式.此外,环形石墨烯纳米结构的等离激元激发对体系尺度的大小也有一定的依赖性.     

基于石墨烯复合薄膜的等离激元传感研究进展

 做为由单层碳原子紧密堆积而成的六边形蜂窝状二维晶体,石墨烯具有高载流子迁移率、良好的生物兼容性和优异的化学稳定性。本文简要综述了石墨烯-金属纳米粒子复合薄膜在表面增强拉曼散射研究进展,以及石墨烯等离激元的激发方式和传感性能。在可见光波段,石墨烯和金属纳米粒子之间的耦合使复合薄膜具有强的光学吸收和局域电场增强,从而使复合薄膜可以作为高灵敏的表面增强拉曼基底。在中红外波段,除可以利用石墨烯微纳结构激发等离激元,还可以对介电基底进行微纳加工利用波导模式激发,使得石墨烯等离激元可能用于折射率传感。讨论了石墨烯基复合薄膜研究过程中面临的机遇和挑战,展望了其在表面增强拉曼和传感方面的应用前景。     

表面等离激元光学力研究进展

当一束光照射在物质上,光子与物质发生动量交换,部分动量转移到物质,等效于对物质产生作用力,称为光学力.这一作用力非常弱,一般在pN甚至更小的量级,但一定条件下,仍足以捕获和操纵纳米、微米尺度的物体.在金属纳米结构中,由于表面等离激元共振效应,诱导的局域电场可以产生增强的光学力,可以在亚波长尺度实现光操纵,并且由此衍生出一个极具吸引力的研究方向——表面等离激元光学力.本文介绍了利用金属纳米结构进行表面等离激元光学力操纵的最新研究进展.     

高效差分表面等离激元共振传感器

为了减小现有的表面等离激元共振传感器的系统漂移和溶液体效应引起的误差,利用四元光电探测器,发展了一种差分SPR传感器,通过对信号的差分运算消除这些误差.测试结果表明, 该仪器有2个突出的优点:具有10-5(°)或10-8 RIU的高角向分辨率;能同时消除系统漂移和溶液体介电常数效应引起的误差,10min内漂移小于7×10-5(°).利用这种传感器,测量浓度为 0.55nmol/L的抗生物素, 得到很好的响应特性,证明该装置可用于生物分子的检测.     

表面等离激元强弱耦合的频域和时域研究

从频域和时域两个维度研究表面等离激元耦合系统在强耦合与弱耦合区域的特性, 在理论上研究给定参数的表面等离激元耦合系统的本征频率、损耗以及亮暗模式随耦合强度的演化。在频域上对门结构在强耦合区域的杂化模式特征、散射光谱特性、偶极子与四极子模式的劈裂情况进行数值计算; 在时域上, 由于激发出两个不同频率的杂化模式叠加形成拍频, 利用拍频信号周期可以精确地给出杂化模式的频率, 得到散射光谱对应的频率不是精确的模式频率的结论。通过扫描耦合距离观察模式演化, 找到奇异点所处区域, 通过系统的频域响应拟合, 确定奇异点的位置。在弱耦合区域, 时域计算给出亮暗模式分别按自身衰减速率衰减的预期结果。     

表面等离激元波导中表面等离激元二次谐波的产生机制

在表面等离激元波导的二次谐波产生过程中, 波导较大的色散导致的相位失配阻碍了其实际应用, 能够消除相位失配的波导尚未见实验报道。通过将单层二硫化钼与平面表面等离激元波导相结合, 在波导中实现从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的转化, 并研究单层二硫化钼-银结构的二次谐波产生特性, 为表面等离激元波导中二次谐波产生的实际应用打下基础。     

Au纳米耦合结构表面等离激元的EELS分析

应用透射电子显微镜中电子能量损失谱仪(TEM-EELS),对电子束激发的单晶Au纳米线耦合结构及单晶/多晶纳米薄膜的表面等离激元(SPs)特征进行分析.结果表明:直径约为10 nm的两单晶Au纳米线平行耦合时,单根纳米线和耦合结构中均存在位于2.4 eV 的SPs共振,耦合结构中SPs的纵模数增加;单晶及多晶Au纳米薄膜在1.4 eV附近存在SPs模式,相较于单晶薄膜,多晶Au纳米薄膜的SPs共振峰位出现明显红移.     

一种介质加载型表面等离激元透镜的研究

提出一种由金属圆盘和圆锥形介质薄膜组成的表面等离激元透镜结构, 该结构能将正入射的电磁波汇聚成束缚于介质表面的圆弧形聚焦斑。这些聚焦斑的尺寸随着介质薄膜中心厚度的减小而减小, 并在薄膜厚度等于某个值时汇聚成一个焦点。该结构还能实现较好的局域场增强。     

回音壁模式圆盘形微谐振腔的设计及特性研究

针对光通信波段,分析了标准圆盘形结构和其他三种变体结构的WGM微谐振腔,讨论了通过改变传输波导和微腔之间的间距以及改变传输波导的几何形状对耦合系数的影响,基于FDTD算法,分别计算了四种结构的耦合系数、谐振频率、模场分布及品质因数等,发现模式的匹配程度和输入波导的弯曲损耗均对品质因数有影响,而四种结构的品质因数和耦合系数的变化规律相反,故具体应用中为了达到较高的耦合效率,须在较高的品质因数与较大的耦合系数之间进行折中,经比较得到了一种输入波导弯曲的优化圆盘形结构。     

人工表面等离激元片上传输线及其应用

现代信息技术对芯片的集成度与功能多样性提出了越来越高的要求,使得微带线、共面波导为代表的传统片上传输线在电磁模式与功能方面的短板日渐凸显。因此,从物理底层寻找具有全新传输模式的传输线是突破当前芯片瓶颈的一条重要技术路径。人工表面等离激元传输线作为一种具有强场束缚性和灵活可调色散特性等优势的电磁超材料,有望成为下一代芯片技术中的关键基础元件。文中介绍了人工表面等离激元片上传输线的基本构型、小型化设计以及可重构设计,展现了人工表面等离激元片上传输线具有的极高自由度。然后介绍了基于人工表面等离激元片上传输线的片上去耦应用和信号调制应用研究进展,展示了人工表面等离激元片上传输线巨大的应用潜力。     

光纤与表面等离激元波导的互联研究

利用在金膜上设计的4个直线排列的弧形二维光栅结构, 在实验上实现光纤与表面等离激元的四路光互联。当光纤照射到不同的弧形光栅上时, 将产生表面等离激元, 并被聚焦耦合到不同的波导中, 从而实现具有恒等、蝶形和全混洗3种方式的四路光纤与表面等离激元波导的光互联。在理论上, 利用惠更斯?菲涅尔原理进行数值模拟, 计算聚焦点附近的场强分布, 理论与实验结果符合得很好。     

圆盘介质谐振器中迴音壁模的性能

该文研究了圆盘介质谐振器中迴音壁模(WGM)的毫米波特性．在高介电常数圆盘介质谐振器中的迴音壁模非常适用于毫米波段，它所具有的高Q值和大尺寸的特性使得它们宜于加工制造．最后给出了在Ka波段的理论和测量值，两者显示了很好的一致性．     

基于矩形谐振腔MIM波导结构的表面等离子体带阻滤波器

采用二维时域有限差分法(FDTD)设计并验证了一种新型的基于金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)多矩形谐振腔结构的表面等离子体带阻滤波器.该结构由一波导通道和一列平行排列于波导上方的矩形谐振腔组成.当矩形腔的长度对某一波长满足法布里-珀罗(F-P)谐振条件时,该波长的表面等离子体(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)将进入腔内并发生耦合共振而被限制在其内,起到滤波的效果.通过调整谐振腔的长度和数量,可以方便地滤掉一个或多个不同波长的光波.与其他结构SPPs滤波器相比,此结构更具有简洁、滤过的波长更窄、更小的能量损耗等优点,该种滤波器可以应用于高集成电路等光学设备.     

表面等离子体纳米腔的光学特性

应用边界元方法分析了表面等离子体纳米腔的光学特性.设计了两种结构的亚波长金属纳米腔,一种是由上下两片相对放置的有限厚的银板构成,并且在内边界上刻蚀了正弦周期结构;另外一种是在前一种的基础上,在内边界的中间刻蚀了直线缺陷结构.研究了光通过这两种结构的共振谱线.数值结果表明,随着正弦周期数的增加,共振波峰的数日也在增加.并且,当以共振波长入射时,腔内的场强相对入射场强提高了五六倍.当在纳米腔的中间引入缺陷时,束缚在纳米腔中的光场强度相对于中间没有缺陷结构时的光场强度要强.这一研究可对设计新型超小激光光源提供非常重要的数据.     

表面性质对介质阻挡放电的影响

为了分析介质阻挡放电(DBD)中表面性质改变对气体放电的影响,实验研究了大气压介质阻挡放电介质表面覆盖或不覆盖金属膜时的放电特性,观测了放电丝时空演化行为. 结果表明,未覆盖金属膜的DBD是典型的丝状放电,而覆盖金属膜后DBD放电丝数目锐减而且随时间缓慢游动. 金属膜使介质表面等电位化,电荷表面自由移动使得放电空间只存在少数的放电丝;空间电场梯度减小以及局域热作用导致的自禁止效应使得放电丝在空间中连续随机运动.     

圆柱形金纳米线中表面等离激元的传输性质研究

从理论上研究了圆柱形金纳米线中, 可见光波长下(λ= 632. 8 nm) 表面等离激元模式的传输性质。通过求解麦克斯韦方程组, 得到圆柱形金纳米线中表面等离激元波导的传播常数, 进而得到表面等离激元模式的传输性质, 包括其传播长度及有效半径等。还发现了表面等离激元模式的传输性质受到模式结构以及介质介电常数的影响, 并且得到了表面等离激元传输距离和能量局域之间的普遍矛盾, 即能量局域越好传播距离越短。通过计算, 能够在特定的结构参数下获得较好的局域特性和传播长度, 例如, 当金属芯半径为 40 nm, 介质( SiO₂ ) 厚度为 40 nm时, HE₁₁ 模式的传播长度为 103. 6 μm, 有效半径 642nm。     

电介质球腔体模式与金属表面模式的共振吸收

利用多重散射法对表面等离子激元模式和腔体本征模式,以及它们之间的耦合进行了详细的研究.研究结果表明:当二者之间的频率非常接近时,它们之间相互作用,在耦合频率附近可以产生非常强烈的吸收.通过调节体系中的某些参数,可以控制腔体本征模式和表面等离子激元出现的频率,从而使强吸收出现在所希望的频率上.详细地研究了介质小球的物理和几何参数对此共振吸收的影响.     

省煤器表面耐腐超导热石墨烯复合涂层的性能

为解决燃煤电厂省煤器的磨损及腐蚀问题,同时不影响其换热性能,通过添加石墨烯改性瓷釉,并采用喷涂技术制备新型石墨烯复合涂层.对石墨烯复合涂层进行扫描电子显微镜试验、硬度测试、静态硫酸腐蚀试验、导热性能测试及拉伸试验,研究其性能.试验结果表明,石墨烯复合涂层的结构致密,孔隙率小且硬度大,耐磨、耐腐性能良好,可以有效地保护基体材料.石墨烯复合涂层的导热系数达到38 W·(m·K)~(-1),远优于传统的陶瓷涂层.