基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.

基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器(特邀)

针对单层硼烯吸光效率低的难题,提出了一种基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器件,通过入射光直接激发高度局域的塔姆等离激元模式,深入研究了硼烯的近红外光学响应。仿真结果表明,所设计的硼烯/一维光子晶体结构能够有效提高硼烯的吸光效率,相比单层硼烯提升了一个数量级。同时器件在不同面内晶体方向上表现出强烈的各向异性。通过改变硼烯狄拉克电子密度,将器件在x和y偏振方向上的吸光效率提高至95.52%和96.63%,对应共振吸收波长为1550 nm和1607 nm。此外,通过改变一维光子晶体结构、氧化铝间隔层厚度及单层硼烯在间隔层中的位置等参数能够实现对吸收效率及吸收波长的灵活调控。该器件具有吸收效率高、工作波段可调等显著优点,可为发展下一代片上集成光电器件提供机遇。

基于塔姆等离激元激发法布里-珀罗谐振的折射率传感器设计

在金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜(DBR)双层结构中,利用金属与DBR交界面上的塔姆等离激元(TPPs)能够激发金属光栅狭缝内的表面等离激元(SPPs)的法布里-珀罗(F-P)谐振,由此产生的能量局域有助于感知狭缝内填充介质的折射率参数。为了进一步提升TPPs的激发效率,实现高灵敏度折射率传感,本文提出在金属光栅底部引入金属膜层构建金属光栅-金属膜-DBR的三层复合结构,采用有限元法分析了膜层厚度对复合结构透射谱线的定量影响。仿真结果显示,随着金属膜层厚度的增加,透射峰的谱宽单调减小,而峰值透射率呈现先增大后减小的变化趋势,在膜厚为12 nm时最大,相比无膜层结构,光谱峰值透射率提升约29%。在此基础上通过改变光栅占空比及金属光栅高度,分析了光栅狭缝中三到五阶类F-P谐振模对应的透射峰的传感性能指标。结果表明,随着占空比的减小,各阶谐振模透射峰的灵敏度显著增大。当选择占空比为60%时,四阶和五阶谐振透射峰的传感灵敏度分别升至171.20 nm/RIU(灵敏度单位)和178.35 nm/RIU。此外,改变金属光栅的高度可以实现折射率探测区间近乎线性移动,当光栅高度从900 nm增大到1200 nm时,基于三到五阶谐振模式的探测区间可以有效覆盖从1.00到2.27的折射率区间。本文的研究结果为利用TPPs进行折射率传感提供了一种有效的设计思路。

基于TPPs-SPPs混合模式的激发以增强单纳米缝异常透射

单纳米金属缝结构,由于其结构紧凑、易于集成、耦合效率高,常常在基于表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构器件中用于构建光源.但是,单纳米缝的低透射率一直是该结构向实际应用转化中的问题;实际上,如何有效地增强其透射率一直是研究的重点.本文提出了一种有效增强单纳米缝异常透射的方法和结构,该结构由分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝构成.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和纳米缝中的SPPs能够同时被有效激发,并相互耦合形成TPPs-SPPs混合模式,当TPPs与SPPs满足波矢匹配条件时,利用TPPs的局域场增强效应可显著提高SPPs的激发效率,结合纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,最终可实现对单纳米缝异常透射率的有效增强.本文利用传输矩阵法和有限元算法分析了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝的透射特性.经过参数优化,在银膜厚度为100 nm、纳米缝宽为11 nm时,DBR-银纳米缝结构的最大透射率为0.166,相对于TiO_2银纳米缝结构(无DBR)的透射率(0.01),提高了16倍.该研究从基本物理机理出发,实现了对单纳米缝异常透射的增强,研究结果在纳米光子学、近场光学成像与探测、极化激元激光器等相关领域具有潜在的应用价值.

金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜结构的透射增强效应

为了采用易于直接激发的塔姆等离激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)实现透射增强现象,本文提出了一种由一维金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector,DBR)构成的层状结构.采用有限元法分析了入射光波在DBR-金属交界面上激发TPPs并产生能量高度局域的物理过程.研究表明入射TM光波在金属-DBR交界面上激发的TPPs可以有效地激发金属狭缝内的SPPs模式,当SPPs模式在狭缝内满足类FP谐振的条件就可以使入射光波在该结构中的产生透射增强.在此基础上,分析了狭缝宽度及其占空比对透射谱峰的定量影响.结果显示:周期确定时随着狭缝宽度的增大,峰值透射率则呈现先增大后减小的变化趋势;宽度确定时随着占空比的增大,峰值透射率会呈现单调降低的变化趋势,而透射峰中心波长呈现近似线性蓝移趋势,这为灵活调节异常透射的中心波长提供了一种有效手段.

光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强

提出了一种增强石墨烯光吸收率的布拉格光栅/石墨烯/金属薄膜光学结构。运用传输矩阵和时域有限差分法研究了其光传输特性,发现布拉格光栅与金属薄膜之间形成的塔姆等离激元局域场可有效增强光与石墨烯的相互作用,单层石墨烯的近红外光吸收率约增大了36倍。探讨了布拉格光栅的周期、石墨烯位置、入射角度、布拉格光栅层厚度及石墨烯化学势与石墨烯光吸收的关系。研究结果表明,上述物理参数的变化可有效调控石墨烯的光吸收波长及效率。研究结果为高性能石墨烯探测器等新型光电子器件的实现提供了新的途径。