基于双表面等离子激元吸收的纳米光刻

光刻技术(lithography)是微纳结构制备的关键技术之一.受限于光的衍射极限,传统光刻方法进一步缩小特征尺寸变得越来越难.表面等离子激元(surface plasmon polariton,SPP)作为光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式,具有波长短、场密度大、异常色散等特点,在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有重要的学术和实用价值.本文针对SPP在光刻胶中的非线性吸收及其在大视场纳米光刻中的应用进行了理论和实验探索.在回顾SPP概念的基础上,阐述了双SPP吸收的概念及其应用于纳米光刻的优势,明确了该效应具有与传统双光子吸收不同的内涵和特性.在800和400nm飞秒激光的作用下,实现了基于双SPP吸收效应的周期干涉条纹,同时验证了双SPP吸收的闽值效应,通过控制曝光计量实现了图形线宽的调控,最小线宽小于真空光波长的1/10.利用SPP波长短、场增强的特点,并结合非线性吸收的闽值效应,单次曝光区域比纳米图形尺度大4 5个数量级,曝光区域的直径可达1.6 mm.同时制备出较为复杂的同心圆环结构.基于双SPP吸收独有的特性以及SPP丰富的模式,有望进一步在大光刻视场、超小尺度图形光刻技术上获得突破.     

测量金属膜粗糙度的表面等离子激元光谱方法

介绍了确定金属膜表面粗糙度的表面等离子激元光谱方法。测量了二种银膜在表面等离子激元激发条件下的光散射强度分布。通过与理论计算的拟合，得到了描写这二种银膜／空气同粗糙界面的特征参数。     

表面等离子激元非线性表面增强拉曼散射效应

本文采用热蒸发法制备得到纳米Ag颗粒作为增强拉曼衬底, 利用入射光子与纳米颗粒表面价电子的相互作用机理, 激发出高能表面等离子激元, 其表面等离子形成的高能"热点"起到表面增强拉曼散射效果. 通过比较不同入射光强下的拉曼峰强, 指出纳米Ag颗粒的增强拉曼散射效果可以实现低探测光强下的高散射强度, 即纳米Ag颗粒的表面等离子激元具有非线性的表面增强拉曼散射效果, 可降低对样品的光、热损伤, 以利于拓展拉曼散射光谱的应用范围. 同时比较不同纳米Ag颗粒衬底的表面增强拉曼散射效果表明, 采用的热蒸发工艺具有较大的工艺域度, 具有较强的工艺兼容性.     

光声方法研究表面等离子激元衰减

本文用衰减全反射(ATR)和光声(PA)方法研究表而等离子激元(surface plasmons)的衰减,分别对Ag-空气界面和CaF_2-Ag-空气界面进行衰减全反射谱和光声光谱测定.测量结果确定两种衰减方式,辐射和无辐射定量结果,并且发现表面粗糙度对衰减方式有影响.     

周期条状结构中长程表面等离子激元噪声特性分析(英文)

基于表面等离子激元自发辐射放大噪声系数理论,研究了长程表面等离子激元噪声系数变化规律,设计了嵌有金属条的长程表面等离子结构.数值模拟得到表面等离子及周期条状长程表面等离子的噪声系数变化规律.给出入射波长从0.5μm到1.75μm,每隔0.25μm的噪声特性,发现随着波长的增加噪声系数趋近于常数.仿真结果表明:表面等离子及长程表面等离子自发辐射放大的噪声系数随着增益介质增大而明显增强;周期条状长程表面等离子结构中,随着金属膜厚度以及金属条高度及个数增加导致噪声系数增加,其中金属膜厚度对于其作用较明显.     

基于表面等离子激元的超薄金属减色滤波器的研究

基于表面等离子激元的新型超薄金属减色滤波器具有可靠、易制备、高透射率等诸多优点.本文对银、铜、铝、镍等不同金属材料的超薄一维光栅减色滤波器进行了系统研究.仿真获得了透射光谱,理论计算了对应透射光谱的色品坐标,并推导出了银、铜、铝三种材料透射率最低点波长与膜厚、周期关系的经验公式.仿真研究发现:除了镍的选波性较差外,银、铜、铝均表现出较好的、不同的滤波特性,其中银的滤波范围较广,而铜、铝则分别在长、短波段表现出较好的滤波性能.为了验证仿真结果,利用磁控溅射技术和聚焦离子束刻蚀技术进行了三种材料的一维光栅减色滤波器的制备实验,并在显微镜下观察滤波器的颜色效应,结果与理论仿真相符合.研究结果表明:不同金属材料在相同微结构下的颜色效应存在较大差异,可根据实际滤波需要,选择材料和微结构参数来获得最佳性价比的滤波器.     

干涉高斯光诱导的表面等离子激元驻波场的分析

考虑到实际入射光强的空间分布不均匀,基于Kretschmann模型并采用角谱方法分析模拟了两束高斯光干涉诱导表面等离子激元(SPP)驻波场。与理想平面波不同,高斯光诱导的SPP干涉条纹幅值大小不等,分布复杂,这表明光强空间非均匀程度会严重地影响到曝光深度的分布。还分析了金属薄膜的厚度、损耗以及光刻胶的介电常数对SPP驻波场的影响,并得出不恰当的金属板厚和细微损耗都会极大削弱SPP驻波场,而如果光刻胶的介电常数过大则有可能产生不了表面等离子体共振的结论。     

微波频段表面等离子激元波导滤波器的实验研究

基于理论分析, 实验研究了二维磁单负材料/双正材料/磁单负材料表面等离子波导的滤波效应. 研究表明, 该波导结构具有低通滤波性质, 引入分支缺陷之后, 由于谐振效应该波导具有带阻滤波效应. 分支缺陷相当于亚波长谐振腔, 谐振腔的长度决定带阻滤波器的中心频率, 而中心频率几乎不受缺陷位置的影响; 滤波器透射率下降的幅度由耦合距离决定. 通过引入谐振腔及改变谐振腔的长度、数量以及耦合间距等参数, 可以实现可调节的表面等离子波导滤波器. 实验结果与理论分析符合得很好, 该性质将在可调的单通道或多通道带阻滤波器件中具有潜在的应用价值. 关键词： 表面等离子激元 特异材料波导 谐振腔 滤波器     

表面等离子激元调制的亚波长束斑半导体激光器

近场有源探针可以解决近场光学扫描显微镜等应用中对高亮度和高光功率的需求.提出一种制备具有表面等离子激元结构的微纳束斑的半导体激光器的设计方案.模拟分析表明,此激光器在3.5 μm的远场仍然可以获得小于波长的束斑,并且其输出功率密度与没有表面激元结构的激光器比较提高近30倍.     

不同预淀积层银膜表面等离子激元波的辐射效率

测量了棱镜／ＬＢ膜／银膜／空气，棱镜／银膜／空气，棱镜／银膜／空气三种结构在衰减全反射条件下激发的表面等离子激元波由于银膜－空气界面粗糙度而散射以空气中的辐射效率，同时，由散射光强分布计算出表面度粗糙度参数随横向相关长度σ和表面波纹深度δ，再由σ和δ计算出理论辐射效率，理论与实验结果相符合。     

基于表面等离激元场的分子反射镜的理论研究

本文提出了一种基于微纳金属膜结构激发的表面等离激元场的分子反射镜新方案,利用中性分子与金属表面垂直方向上蓝失谐消逝波光场之间的偶极力相互作用,实现入射分子束的表面反射.理论计算了表面等离激元场的空间分布,用蒙特卡洛方法模拟了分子在该场中运动的动力学过程,得到了分子反射镜的反射率与相互作用时间和入射光强之间的关系.结果表明:当入射激光脉宽为10 ns,光强为I=1.0×109W/cm2时,纵向温度为10 mK,横向温度为1 mK的碘分子束反射效率达到55.89%,而且反射率随着入射光强的增大而增大.     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

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     

表面等离极化激元对电荷输运影响的自洽场理论研究

采用自洽场方法获得体系电荷密度分布，根据激子理论分析体系电荷密度矩阵，推导出表面等离极化激元（SPP）的频谱分布，并在原子轨道函数基上构造电流输运的矩阵等式，然后采用SPP频谱规范电流输运矩阵得到电流输运多项式的表达形式.进而提出因SPP影响电流输运而导致负阻现象的物理图像. 关键词： 电荷输运 表面等离极化激元 电荷密度     

基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计

本文提出了一种基于人工表面等离激元的频率选择结构的设计方法：将设计的频率选择表面和金属鱼骨结构阵列相结合得到一种新的频率选择结构.文中采用这种方法设计了一种具有陡截止和高透、高抑制性能的双通带频率选择结构.该结构由金属鱼骨结构阵列和上下两层相同的频率选择表面复合而成.通过仿真可得,该结构的两个通带频率范围分别是3.0–4.1和10.5–10.9 GHz,透射率均在-0.5 dB以上.透射率低于-10 dB的频率范围是4.7–9.2和12.1–18 GHz.在12.4–15.5 GHz频率范围内,该结构的透射率甚至低于-20 dB.在通带内,电磁波可以高效地透过该结构;在阻带内,该结构对电磁波的透射具有较好的抑制作用.测试结果表明用这种方法设计出的频率选择结构的实际性能和仿真基本一致.在金属鱼骨结构空隙中填入轻质泡沫后该结构具有一定的力学承载性能,可以实现结构功能一体化的设计.     

The surface plasmon polariton dispersion relations in a nonlinear-metal-nonlinear dielectric structure of arbitrary nonlinearity

The analytic surface plasmon polaritons(SPPs) dispersion relation is studied in a system consisting of a thin metallic film bounded by two sides media of nonlinear dielectric of arbitrary nonlinearity is studied by applying a generalised first integral approach.We consider both asymmetric and symmetric structures.Especially,in the symmetric system,two possible modes can exist:the odd mode and the even mode.The dispersion relations of the two modes are obtained.Due to the nonlinear dielectric,the magnitude of the electric field at the interface appears and alters the dispersion relations.The changes in SPPs dispersion relations depending on film thicknesses and nonlinearity are studied.     

表面等离激元量子信息应用研究进展

近年来表面等离激元得到了越来越多的关注和研究,得益于其能把电磁场束缚在金属-介质界面附近的亚波长尺度范围内.本文回顾了近年来表面等离激元在量子信息领域中的理论和实验研究,包括表面等离激元的基本量子性质、表面等离激元量子回路、在量子尺度下与物质的相互作用及其潜在应用.量子表面等离激元开辟了对表面等离激元基本物理性质研究的新方向,可以应用于高度集成化的量子集成光学回路,同时也可以用来增强光与量子发光体的相互作用.     

Surface plasmon polariton assisted optical pulling force

We demonstrate both analytically and numerically the existence of optical pulling forces acting on particles located near plasmonic interfaces. Two main factors contribute to the appearance of this negative recoil force. The interference between the incident and reflected waves induces a rotating dipole with an asymmetric scattering pattern, while the directional excitation of surface plasmon polaritons (SPPs) enhances the linear momentum of scattered light. The strongly asymmetric SPP excitation is determined by spin–orbit coupling of the rotating dipole and surface plasmon polariton. As a result of the total momentum conservation, the force acting on the particle points in a direction opposite to the incident wave propagation. We derive analytical expressions for the force acting on dipolar particles placed in the proximity of plasmonic surfaces. Analytical expressions for this pulling force are derived within the dipole approximation and are in excellent agreement with results of electromagnetic numerical calculations. The forces acting on larger particles are analyzed numerically, beyond the dipole approximation.

     

Surface plasmon polariton coupling between nano recording marks and their effect on optical read-out signal

We use the three-dimensional finite-difference time-domain method to investigate surface plasmon polariton coupling between two nano-recording marks which are of different shapes. The different coupling characteristics and the influence of these coupling effects on the read-out reflection signal will be discussed.     

Mass transport on adsorbate multilayers studied by surface plasmon polariton wave excitation

We excited surface-plasmon polariton waves (SPPW) on Cu(111) by coupling a monochromatic optical beam with a xenon multilayer thickness grating on the metal. The SPPW excitation was detected with an angle-resolved oblique-incidence reflectivity difference technique (OI-RD). The amplitude of the resonance OI-RD signal was a quadratic function of the grating modulation depth. By monitoring the decay of the resonance OI-RD signal as a function of time and temperature, we were able to study the mass transport of xenon that plays a key role in the annealing of a “rough” Xe multilayer crystalline film.