金属基底上光学偶极纳米天线的自发辐射宽带增强:表面等离激元直观模型

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线,实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041,在近红外波段,自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm,并且能够实现远场定向辐射.为了阐明天线性能背后的物理机制,本文考虑天线臂上表面等离激元激发和多重散射的直观物理过程,基于Maxwell方程组第一性原理,建立了一个半解析模型,能够全面复现天线的辐射特性,包括总辐射速率、远场辐射速率、远场辐射方向图等.该模型提供了一个直观的物理图像,即在模型导出的两个相位匹配条件下,表面等离激元在天线臂上形成了一对Fabry-Perot共振获得增强,然后传播到纳米间隙内点辐射源位置和散射到自由空间,由此分别提高了总辐射速率和远场辐射速率.并且,这一对Fabry-Perot共振产生了一对相互靠近的谐振峰,由此形成了宽波段自发辐射增强.本文提出的偶极纳米天线可以应用于荧光增强、拉曼散射增强及高速、高亮度纳米光源等领域,所提出的模型可用于光学天线的物理理解和直观设计.     

超越SNOM探针通光孔径尺寸的金属纳米间隙超分辨测量

采用电磁场有限元方法,数值模拟了孔径型扫描近场光学显微镜(aperture Scanning Near-field Optical Microscopy,a-SNOM)在照明模式下的工作过程.针对金偶极天线结构,改变天线长度和纳米间隙尺寸,计算了a-SNOM探针孔径的远场辐射速率随探针端面中心坐标变化的扫描曲线,实现了超越a-SNOM探针通光孔径尺寸的天线金属纳米间隙的超分辨测量,对于100nm通光孔径的探针,可分辨最小尺寸为10nm(0.016倍波长)的金属间隙.通过对比金属和介质偶极天线的a-SNOM探针远场辐射速率测量的计算结果,表明天线金属纳米间隙的超分辨测量的实现是由于金属间隙表面等离激元的激发.     

金纳米颗粒调控量子点激子自发辐射速率

将InAs/GaAs量子点样品薄膜置于覆盖有直径为50 nm的金(Au)纳米颗粒的硅衬底上,可以调控量子点激子的自发辐射速率.实验发现,当量子点浸润层距离Au纳米颗粒表面15—35 nm时,激子自发辐射速率受到抑制,且距离为19 nm时抑制作用最大,导致量子点激子的自发辐射速率减小到没有Au纳米颗粒时自发辐射速率的10^-3.基于经典的偶极辐射模型模拟计算的激子自发辐射速率与实验结果一致.     

缝隙八木纳米天线设计及宽波段吸收特性

针对传统光伏电池能量收集易受环境与光照时间限制的问题,本文设计了一种用于太阳能收集的缝隙八木纳米天线单元及阵列.采用时域有限差分法分析缝隙间距对纳米天线远场方向性和近场分布的影响,并研究缝隙八木纳米天线阵列的吸收特性及不同缝隙间距对阵列天线吸收率的影响.研究远场方向性发现,当缝隙间距增加到一定距离时,天线方向图出现多个副瓣并产生新的辐射模式;通过对近场分析表明,新辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.天线阵列吸收率的仿真结果表明:在400~1 500nm波段,随着缝隙间距的增加,缝隙八木纳米天线阵列吸收率呈上升趋势,当缝隙间距等于80nm时,在400~660nm、760~1 300nm两个波段内吸收率较高,吸收峰值最大可以达到98%;以吸收率大于50%为基准,当缝隙间距等于80nm时,其吸收波段最宽.     

光偶极天线的远场方向性研究

用时域有限差分方法模拟了两种光偶极天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随其长度增加而变化的规律以及影响其远场方向性的因素,发现光偶极天线的远场方向性随其长度增加而变化的规律类似于经典对称振子天线的相应规律.但高阶局域表面等离激元模式的存在使得光偶极天线的远场辐射图更快地出现了旁瓣.这些发现对于提高光天线的性能具有重要意义. 关键词： 光偶极天线 局域表面等离激元 金纳米粒子 远场方向性     

具有表面波完全极化禁带的平面特异材料的定向辐射效应

从理论和实验上研究了镂有三角晶格小孔阵列的金属薄板表面波禁带行为,通过改变小孔直径以及其他几何参数,发现三角晶格是表面波完全极化禁带产生的原因。利用该表面波完全禁带实现了点源的定向辐射。通过测量放在该平板表面的偶极子天线辐射源的远场方向图,观测到在表面波完全禁带里面,远场方向图的E面和H面半高宽分别只有5.6°和6.2°。     

金属-介质-金属纳米天线阵列的模式特性及荧光发射调控

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素.研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40nm.另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30nm和100nm.本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素. 研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元. 结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40 nm. 另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30 nm和100 nm. 本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计（英文）

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

高功率椭圆形柱面介质透镜天线阵的设计

设计了一种椭圆形柱面透镜天线阵列。为改善天线的辐射性能,考虑到高功率应用中的高压击穿问题,提出在横截面为椭圆形组合矩形的天线罩内填充变压器油的方法,并将三元刀型天线阵列密封其内,形成介质透镜天线阵。利用椭圆的几何聚焦能力和介质的缩波效应,提高天线阵列的主瓣增益,并增加天线阵列的电尺寸。通过调整天线阵列的单元间距,相较于不加透镜的阵列结构,该结构的轴向远场电压峰峰值增加41%,远场辐射波束宽度变窄,前后比也得到改善,且增益提高了4.96 dB,功率容量提高338倍,达9.63 GW。     

电磁超构表面与天线结构一体化的低RCS阵列

提出一种电磁超构表面与天线一体化设计以实现低散射阵列的新方法.该方法利用传输线将超构表面部分单元串联,并采用同轴馈电激励,以此得到新型天线阵列,该阵列的辐射性能和传统阵列几乎相同;当外来雷达波照射该阵列时,利用超构表面和其周围天线结构散射场的差异,将能量在空间重新分配,从而实现天线工作频带内的雷达散射截面(radar cross section,RCS)减缩.基于该方法,以2 × 1阵列为例,构建了天线模型,数值分析了其性能,验证了该阵列的良好辐射和低RCS特征,并详细阐述了天线的工作机理,进一步的分析还揭示了超构表面结构对天线辐射和散射性能的影响规律.遵循该规律,可以灵活设计满足需求的天线阵列.该方法不仅简单易行、集成度高,还可以拓展至更大规模的阵列天线设计.     

一种用于时间反演通信的亚波长天线阵列设计

基于时间反演电磁波的远场超分辨聚焦特性, 设计了一种亚波长天线阵列, 其天线单元刻蚀有微结构、单元间距为1/20工作波长且信道相互独立. 在保证相似的辐射特性的条件下, 该亚波长天线阵列对比于其他微结构刻蚀所组成的亚波长天线阵列, 具有较好的远场超分辨率聚焦特性. 为基于时间反演的高速率、高质量多天线通信提供了一种有效的终端天线阵列.     

紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的单向散射

采用时域有限差分法,数值研究了紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的远场散射特性.结果表明:紧聚焦的角向矢量光可在硅纳米环和开口金纳米环中分别激发出不同峰宽的磁偶极模式;由于模式间的杂化效应,两种磁偶极模式会耦合形成硅环-开口金环纳米结构的反键和成键模式;在峰谷1064 nm波长处,反键和成键模式间的相消干涉在面内形成了单向远场散射.进一步,详细研究了几何参数对单向散射的影响,并且借助该纳米天线的单向散射特性,实现了偶极光源的定向发射.研究结果提供了一种纳米光子结构远场散射的灵活调控手段,并有望为纳米光源、光学传感器等的设计和研发提供有益的参考.     

基于纳米天线的多通道高强度定向表面等离子体波激发

设计了一种带有纳米天线的金属微腔结构, 以实现高强度表面等离子的定向激发. 在利用双狭缝结构实现表面等离子体波定向激发的基础上, 分别结合共振增强和干涉相长原理, 在传统结构的入射端面上添加纳米天线结构, 并增加狭缝通道数, 实现了定向激发的表面等离子体波的能量增强. 基于纳米天线的多通道高强度定向表面等离子体波激发装置结构简单, 系统紧凑, 并能够有效提高定向传播的表面等离子体波的能量密度和传播距离, 其对微纳光学传输和高密度光学集成领域等方面的研究具有重要意义.     

金纳米粒子降低吸附态细菌叶绿素a荧光量子效率的机理研究

本文通过比较细菌叶绿素a(BChl a)吸附于Au纳米颗粒表面前后吸收光谱、荧光光谱、绝对量子产率和荧光寿命的变化,研究金纳米颗粒表面对吸附态细菌叶绿素a(BChl a)自发荧光辐射过程的影响。结果表明,BChl a吸附到Au纳米颗粒表面后,单体和二聚体BChl a吸收峰位均红移约3nm;BChl a单体发射的荧光峰位置从784nm红移到791nm,BChl a二聚体发射的荧光峰位置从684nm红移到689nm,二者荧光均发生淬灭;荧光量子效率降低;荧光寿命在误差范围内保持不变。原因可能来自两个方面:(1)BChl a吸附到Au导电表面后使得与自发辐射跃迁速率相关的光子能态密度变小,从而使BChl a自发辐射速率降低;(2)BChl a与纳米Au颗粒表面间的无辐射能量转移导致吸附态BChl a非辐射速率增大。     

基于等离子体的定向天线阵理论与实验研究

当前国内学者对等离子体天线的研究主要集中于柱状天线和反射面天线, 而在国外已有学者以等离子体阵列结构设计了功能多样的智能天线系统. 为了较系统地了解这一新的设计思路, 基于等离子体散射理论对中心单元激励的圆形定向天线阵进行了理论和实验研究. 设计了一个16元等离子体无源振子的圆形天线阵, 实现了天线电磁波单波束和多波束的定向辐射. 通过理论计算和分析, 阐述了天线电磁波单波束和多波束辐射的原理. 通过建立实验系统, 测试了圆形天线阵的定向辐射特性. 实验结果和理论值接近, 说明该等离子体圆形天线阵可以实现天线电磁波的定向辐射和多波束辐射. 另外, 该天线阵还具有快速切换辐射方向、参数快速重构、雷达隐身性良好的优点. 关键词： 等离子体 定向天线阵 单波束 多波束     

基于金纳米粒子增强有机-无机杂化钙钛矿放大自发辐射

有机-无机杂化钙钛矿作为激光的增益介质时,存在室温时纳秒脉冲或连续激光作用下的光泵浦器件不稳定、难以实现电泵浦激光等问题.通过将金纳米粒子水溶液和PEDOT∶PSS溶液共混的方法,将20nm尺寸的金纳米粒子掺杂至光泵浦平面波导器件的界面层PEDOT∶PSS中,掺杂了金纳米粒子的平面波导器件(以CH_3NH_3PbBr_3为增益介质)的放大自发辐射绝对强度相对于没掺杂金纳米粒子的器件提升了5.5倍.实验结果表明,金纳米粒子的引入,一方面提升了CH3NH3PbBr3薄膜的吸收,增加了粒子反转数目,另一方面加快了激发态激子的辐射跃迁速率.仿真分析表明,金纳米粒子的近场和远场复合表面等离激元可有效耦合增益介质光吸收/发射主区域,从而提高了平面波导器件的放大自发辐射性能.研究结果可为高效泵浦激光的实现提供参考.