表面等离子体激元的若干新应用

表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振（SPR）场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。     

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。     

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.     

基于表面等离子激元波导透射性能的环形滤波器设计

当前对表面等离子体激元(SPP)耦合性能及其传播的研究已成为这一领域急需改进的课题。为了进一步使SPP纳米器件成为可能,利用SPP波导结构设计了一种表面等离子体激元环形滤波器,建立了SPP波导结构传输模型和金属光栅SPP传输模型。透射率仿真分析表明,透射率会随着金属薄膜厚度的变化而变化,当金属薄膜厚度降低时,透射带宽会明显变窄,且透射的峰值也会降低。滤波器结构仿真结果表明,滤波器具有很强的消光效果,在具有有效谐振频率的同时可以更好地实现阻碍非谐振频率。该研究对纳米等离子激元器件的实际应用具有一定的理论和实际意义。     

纳米粒子形貌与表面等离子体激元关系

通过调控纳米粒子表面形貌,研究了纳米粒子形貌与表面等离子体激元之间的关系.采用水相化学合成法制备出粗糙表面"花朵"形银纳米粒子.通过自组装形成单层阵列,并进一步组装成复合结构超材料.测试了其光学行为,并将实验结果与树枝形纳米粒子、光滑表面纳米粒子进行对比分析.结果表明:光滑表面纳米粒子不能出现超材料效应,当粗糙程度增加...     

损耗对表面等离子体激元压缩态的影响

表面等离子体激元是金属表面电子集体振荡,它以波的形式在金属和介质之间的界面中传播.近期Huck等证明等离子体激元可以处在压缩态,本文利用量子光学的热库理论,研究金波导损耗对表面等离子体激元压缩态的影响,并对Huck等的实验结果给与理论解释. 关键词： 表面等离子体激元 压缩态 热库理论     

表面等离子体激元学：可重构型耦合

最近研究人员证实了一种可重构的单向耦合方案。这种方案可用于激发金属表面的电子集体振荡,形成所谓的“表面等离子体激元”。英国伯明翰大学ZhangShuang教授研究组人员在一层金属膜上实现了自由空间光子与这些表面状态之间的高效可控耦合。     

线性偏振光激发的错位表面等离子体激元纳米结构聚焦

利用扫描近场光学显微镜观测并分析了两种表面等离子体激元纳米结构对表面等离子体激元(SPP)的激发和聚焦现象.用线偏振光照射有半个周期相位差的环状沟槽结构与有半个周期位相差的环状狭缝结构,得到了单点的SPP聚焦.有限时域差分法的模拟结果验证了实验中观测的现象.这两种相位错位的表面等离子体激元纳米结构,突破了由于干涉导致的线偏振光不能得到单个聚焦点的限制.与采用径向偏振光激发而得到单个聚焦点的方法相比,线偏振光不需要聚焦,也不需要将光束中心对准纳米结构的几何中心即可得到单点聚焦。     

基于表面等离子体激元耦合相位板超聚焦透镜结构的优化设计

基于银板超透镜和多带相位二元光学衍射理论,提出一种超聚焦透镜结构.利用时域有限差分和标量衍射理论数值分析显示,这种超透镜在可见光范围,具有单一焦点,焦斑尺寸约0.36 λ,聚焦位置和焦深可达10 λ以上,在近场光学扫描显微镜和超分辨成像及光刻等系统中有潜在应用前景.     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列     

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     

High-confinement ultra-wideband bandpass filter using compact folded slotline spoof surface plasmon polaritons

A novel bandpass filter(BPF)based on spoof surface plasmon polaritons(SSPPs)using a compact folded slotline structure is proposed and experimentally demonstrated.The proposed novel SSPPs structure compared with a conventional plasmonic waveguide with slot line SSPPs unit structure at the same size,the considerable advantages in much lower asymptotic frequency with tight field confinement,which enable the proposed filter to be more miniaturization.A high-efficient mode conversion structure is designed to transition from TE-mode to SSPPs-mode by gradient slotline lengths.The low-frequency stop-band can be committed with microstrip to slotline evolution on both sides of the dielectric,while the high-frequency cutoff band is realized by the proposed SSPPs structure.The influence of dispersion relation,electric field distribution,surface current,and structural parameters on the transmission characteristics of the proposed BPF are analyzed by finite difference time domain(FDTD).To validate the design concept,the prototype of the miniaturized SSPPs BPF has been manufactured and measured.The experimental results show high performance of the fabricated sample,in which the working in a range of 0.9 GHz-5.2 GHz with the relative bandwidth is 142%,the insertion loss less than 0.5 dB,the reflection coefficient less than-10 dB,and the group delay is less than one ns.This works provides a mirror for realizing the miniaturization of waveguides,and the application and development of high-confinement SSPPs functional devices in the microwave and THz regimes.     

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.     

Dielectric layer-dependent surface plasmon effect of metallic nanoparticles on silicon substrate

The electromagnetic interaction between Ag nanoparticles on the top of the Si substrate and the incident light has been studied by numerical simulations. It is found that the presence of dielectric layers with different thicknesses leads to the varied resonance wavelength and scattering cross section and consequently the shifted photocurrent response for all wavelengths. These different behaviours are determined by whether the dielectric layer is beyond the domain where the elcetric field of metallic plasmons takes effect, combined with the effect of geometrical optics. It is revealed that for particles of a certain size, an appropriate dielectric thickness is desirable to achieve the best absorption. For a certain thickness of spacer, an appropriate granular size is also desirable. These observations have substantial applications for the optimization of surface plasmon enhanced silicon solar cells.     

Switchable surface plasmon dichroic splitter modulated by optical polarization

For the miniaturization of optical devices, surface plasmon polaritons (SPPs) have been widely utilized due to their outstanding confinement and field‐enhancement characteristics. Analyzing a spectrum of optical signals and splitting certain regions of the spectrum range within a submicrometer‐scale structure are demanded for optical integrated systems. In this paper, a novel type of dichroic surface plasmon launcher that can switch the launching direction according to incident polarization states is demonstrated. Compared to the previously reported plasmonic dichroic splitters, the proposed schemes do not use any asymmetric geometry for directional launching. Hence, the direction of guided SPPs can be interchanged according to the polarization state. Such characteristics will be helpful to design switchable plasmonic devices that can be applied to active plasmonic integrated circuits.     

降低表面等离子激元寄生吸收损失的途径研究

从纳米Ag颗粒表面等离子激元光学及表面高能电场特性两方面入手,较为系统地研究了周围介质的导电特性对表面等离子激元的影响.通过对复合薄膜紫外-可见-近红外光谱及表面增强拉曼散射光谱的分析,指出绝缘性的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的表面电场定域效果,且不会引入附加的光吸收损失;而导电性的ITO薄膜则会引入表面价电子的溢出损失,加速了表面电场的衰逝,同时引起长波方向上显著的光吸收损失.研究还表明致密的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的屏蔽作用,且纳米Ag颗粒表面等离子激元特性仅受最近邻材料特性的影响.研究结果为在硅基薄膜太阳电池中实现对纳米Ag颗粒的阻挡、寄生光吸收损失的降低以及表面高能电场的利用,提供了一条有效的解决途径.     

金属表面等离体子振荡

深入浅出地分析了金属表面等离体子振荡形成的机理，利用拉普拉斯方程得到了半无限金属、金属薄膜和球状纳米金属颗粒的表面等离体子振荡频率。     

Plasmonic Fraunhofer-wavelength narrow-band filter based on calcium film

We theoretically investigate plasmonic properties of a calcium film in a Kretschmann excitation scheme. Based on surface plasmon polaritons, the absorbance of the calcium film can be as high as 100% for the p-polarization, much higher than the absorbance for the s-polarization at the wavelength of 422.7 nm, correspondingly to the g Fraunhofer line. The 45 nm thick film of calcium has a high reflectance of about 76% at 422.7 nm for s-polarization. But for p-polarization, there is a minimum in the reflectivity curves at the angle of 19°. The narrow-band filter based on calcium film is particularly suited for working with conventional calcium atomic filter and on-chip integration due to its solid-state bulky feature. Furthermore, the plasmonic filter based on the calcium film is described that may offers new applications in angle- and polarization-sensitive sensor and the detection of weak laser light.