低损耗超小模面积杂化表面等离激元波导

提出了一种在矩形金属沟槽中插入两块相同的矩形硅核的新型杂化波导结构,基于有限元方法,在波长为1550 nm时,系统地研究了两块介质核间的距离、介质核的高度、宽度以及介质核与金属间的距离对有效模面积和传播距离的影响。计算结果表明,通过左右狭缝或者中间狭缝的场增强效应,能得到低损耗超小模面积的杂化模,当介质核与金属间的距离比较大时,相对于中间无狭缝的情况,当缝隙为5 nm时,该结构的有效模面积急剧减小,约减到原来的七分之一,而传播距离略有增长,在50个波长左右,而且中间缝隙越窄(不等于0 nm),模面积越小,传播距离越大,介质核越高,传播距离越远而模面积几乎不变。当介质核与金属间的距离比较小时,中间缝隙越小,介质核的宽度越小,模面积越小。

传感品质因数增强的塔姆-表面等离激元杂化模式

基于棱镜耦合的金膜表面塔姆等离激元(Tamm plasmon polarition,TPP)与表面等离极化激元(surface plasmon polariton,SPP)的杂化耦合受到广泛的关注和研究,但这种传统的激发装置由于拥有体积庞大的棱镜等光学元件以及对入射光角度精准控制有严格要求,限制了其集成化发展和实际应用。为了简化TPP和SPP杂化耦合激发方式,本文提出了一种光栅耦合型多层堆叠结构设计。该结构主要包括三部分:顶部纳米厚度的金膜、中间一维布拉格光子晶体以及底部金纳米光栅。在该结构中利用底部纳米光栅的一级透射光同时实现了顶部金膜上下表面SPP和TPP共振激发。两种模式之间的耦合杂化作用极大地减少了模式的共振带宽,从而使TPP-SPP模式的传感品质因数得到了显著的提高。此外,通过改变纳米光栅的周期和组成一维布拉格光子晶体的介质层厚度,SPP和TPP可以在较宽光谱范围内实现耦合杂化。相比于传统棱镜式的TPP和SPP双模式耦合结构,设计的光栅耦合型的多层堆叠结构无需借助棱镜和对入射角精确调控,在正入射光照射下就可实现两种模式的共振耦合,这不仅易于结构的进一步集成和小型化,同时对拓宽表面等离激元传感器的实际应用具有重要的意义。

基于一种易于制作的混合型表面等离激元波导结构的超紧凑截线滤波器(英文)

提出并分析了一种结构紧凑的截线型滤波器。该滤波器建立在一种硅基混合型表面等离激元波导结构上。与通常的混合等离激元结构相比,该波导结构在制作时只需对顶部的一层硅材料进行刻蚀,不需在光刻步骤进行对准和套刻,工艺简单易行。该截线滤波器由一截突柱波导与直波导耦合组成,并采用三维时域有限差分方法对其频谱响应进行模拟计算。计算结果表明该滤波器与现有文献中的二维金属-绝缘体-金属波导截线滤波器具有类似的频谱特性。另外,还进一步分析了截线部分及波导自身尺寸对器件输出频谱的影响。

铋化物发光玻璃中银表面等离激元对铒离子的发光增强作用

局域表面等离激元可以由自由空间的光直接激发,这也是局域表面等离激元的优点所在。研究铋化物发光玻璃中纳米银颗粒的表面等离激元对铒离子发光的增强效应、进一步的提高铋化物发光玻璃中铒离子的发光性能很有意义。首先,测量了(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃与(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的吸收谱,发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃在约600.0 nm处有一个较弱的宽的银表面等离激元共振吸收峰。同时发现两者都有典型的铒离子的吸收峰,它们的吸收几乎完全一样:在波峰形状、峰值强度和峰值波长等方面都很相近。测量了(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃和(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的激发谱,发现有位于379.0,406.0,451.0,488.0和520.5 nm的5个550.0 nm可见光的可见激发谱峰,和位于379.0,406.5,451.0,488.5,520.5,544.0,651.5和798.0 nm的8个1531.0 nm红外光的红外激发谱峰,容易指认出依次为Er 3+的4I 15/2→4G 11/2,4I 15/2→2H 9/2,4I 15/2→(4F 3/2,4F 5/2),4I 15/2→4F 7/2,4I 15/2→2H 11/2,4I 15/2→4S 3/2,4I 15/2→4F 9/2和4I 15/2→4I 9/2跃迁的吸收峰,通过测量发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃相对于(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的可见和红外激发谱的最大增强依次分别是238%和133%。最后,测量了它们的发光谱,发现有位于534.0,547.5和658.5 nm的三组可见发光峰,容易指认出依次为Er 3+的2H 11/2→4I 15/2,4S 3/2→4I 15/2,4F 9/2→4I 15/2荧光跃迁。还发现红外发光峰位于978.0和1531.0 nm,依次为Er 3+的4I 11/2→4I 15/2和4I 13/2→4I 15/2的荧光跃迁。通过测量发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃相对于(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的可见和红外发光谱的最大增强依次分别是215%和138%。对于银表面等离激元增强铒离子发光的机理,认为主要为纳米银颗粒的局域表面等离激元共振,造成金属纳米结构附近产生的局域电场的强度要远大于入射光的电场强度,从而导致了金属纳米结构对入射光产生强烈的吸收和散射,进而导致了荧光的增强;即局域表面等离子体共振局域场的场增强效应。

碲化物发光玻璃中银纳米颗粒表面等离激元增强铒离子发光的研究（英文）

有趣的贵金属表面等离激元的光学性质,尤其是在发光增强领域的表现,使得它已经成为全球的一个研究热点。表面等离激元就是光与贵金属中的自由电子相互作用时,自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。该文研究了碲化物玻璃中银纳米颗粒的表面等离激元共振增强铒离子的发光。我们测量了吸收谱、激发谱、发光谱以及荧光寿命。首先,我们挑选365.5和379.0nm吸收峰作为激发波长测量了385~780nm波长范围的可见发光光谱,发现有4个发光峰,依次位于408.0,525.0,546.0和658.5nm,容易指认出它们依次为铒离子的2H9/2→4I15/2,2H11/2→4I15/2,4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的荧光跃迁;可以计算出[80nm平均粒径纳米银的Er^3+(0.5%)Ag(0.2%):碲化物玻璃的样品A]的上述4个可见发光的峰值强度是[Er^3+(0.5%):碲化物玻璃的样品C]的大约1.44~2.52倍。同时,[50nm平均粒径纳米银的Er^3+(0.5%)Ag(0.2%):碲化物玻璃的样品B]的上述4个可见发光的峰值强度是样品C的大约1.08~1.55倍。随后,我们挑选365.5和379.0nm吸收峰作为激发波长测量了928~1680nm波长范围的近红外发光光谱,发现近红外波段有两个发光峰,位于979.0和1530.0nm,容易指认出它们依次为铒离子的4I11/2→4I15/2和4I13/2→4I15/2的荧光跃迁;同样可以计算出样品A的上述2个近红外发光的峰值强度是样品C的大约1.43~2.14倍。同时,样品B的上述2个近红外发光的峰值强度是样品C的大约1.28~1.82倍。因此,发光的最大增强大约是2.52倍。从荧光寿命动力学实验,我们发现样品A的荧光寿命为τA(550)=43.5μs,样品B的荧光寿命为τB(550)=43.2μs,样品C的荧光寿命为τC(550)=48.6μs。这些实验结果证实了τA≈τB<τC。它意味着样品(B)相对于样品(C)的发光增强是源于自发辐射增强效应。然而,它也意味着样品(A)相对于样品(B)的发光增强是源于纳米银颗粒的粒径尺寸r效应。也就是说当粒径尺寸r增大的时候,散射截面Cs和r^6成正比,而吸收截面Ca和r^3成正比,因此散射截面Cs增大的速度会远大于吸收截面Ca增大的速度,而散射截面Cs是荧光增强的原因,吸收截面Ca是荧光减弱的原因,所以随着银纳米颗粒尺寸的增大,其散射截面占主要部分,当发光材料和金属表面等离子体SP发生耦合时,能量快速的转移到金属表面等离子体SP上,而后被散射到远场,这有利于增强荧光。其综合的结果就导致了发光强度会随r的增大而增强。上述实验的结果对太阳能电池的光伏发电和生物物理应用等领域都有着很好的应用前景。

Otto结构加载MIM波导的表面等离子激元传输与衰减特性

设计了加载MIM波导的Otto结构研究SPPs的传输和衰减特性,应用球面EM场的解法求解了整个介质区域的本征函数的特征值。对SiO2厚度分别为750 nm和1 500 nm的设计结构进行了仿真,结果表明:750nm改进结构的TM0传播常数达到了1.541,衰减系数仅仅为2.80;随着SiO2层介质厚度的减小,反射系数随之增大,且不同金属介电常数的谐振方向变化趋势一致;随着腔厚度的减小,在反射相位减少的同时其存储能量也随之减少。

基于人工表面等离子激元的高扫描率THz双波束漏波天线

本文提出了一种工作在太赫兹频段的紧凑型高增益、高扫描率双波束漏波天线,该天线由两个具有相同调制周期的半模集成波导(HMSIW)漏波天线和一个功率回收结构组成。前者在HMSIW的顶部表面蚀刻周期性槽以引入人工表面等离子激元(SSPP)慢波效应,通过向周期性槽引入正弦调制,使得在接近SSPP截止频率的窄带宽内实现高扫描率的漏波辐射,后者通过在两个漏波天线之间加功率回收结构,产生两个对称的波束,从而进一步提高了天线的波束扫描率。结果表明,在工作频段1.25~1.31 THz(相对带宽4.6%)内,双波束扫描角度为80°,波束扫描率为17.4,最大增益达到了14.4 dBi,此外天线结构由一维扩展到二维,整体尺寸较小,在太赫兹无线通信和雷达探测系统中具有较大的应用潜力。

凹槽结构导致的表面等离激元与波导模式转换特性研究

理论研究了在电介质覆盖金属波导体系中,表面缺陷结构导致的表面等离激元模式与波导模式间的相互耦合机制。在电介质层表面引入一维凹槽结构,利用凹槽结构对入射光波的散射,可以实现表面等离激元模式与波导模式间的相互转换。模式转换效应会导致在结构透射谱上出现新的能带。通过广义Fresnel公式解释了该附加能带的形成机制。利用该模式转换特性,可以实现表面等离激元模式和波导模式的方向性激发。这些结果在二维光子学器件,如布拉格反射镜、分束器和光互连中有着潜在的应用。

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。

基于表面等离子体激元的新型金属光栅波导的研究

对基于表面等离子体激元的五层金属光栅透射现象进行了分析研究。根据仿真得出的透射和发射谱线,分析得出五层金属光栅有良好的增透效果。研究中发现在1 550 nm通信波段附近,通过改变金属光栅的周期长度,可以对反射谱进行波长调谐,实现增透波长的选择。

表面等离子体激元的原理与应用

光与物质之间的相互作用,被视为光学应用的最基础物理问题。由光与凝聚态物质之间的相互作用形成的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs),是一种新型的元激发准粒子,因其具有独特的色散和局域场增强特性引起广泛关注。SPPs器件打破了传统光学衍射限制,在纳米光子器件中有独特优势,应用于微纳光子学的前沿研究。阐述了SPPs的色散关系、激发方式、传播形式和物理性质,重点探讨了SPPs在波导、近场光学、传感器、生物医疗、光子芯片、表面增强拉曼散射和太阳能电池等方面的应用,并提出了研究前景。

由变换光学设计的绝缘体-金属-绝缘体表面等离激元波导中的模式转换器(英文)

绝缘体-金属-绝缘体波导支持两种表面等离激元模式,即反对称模和对称模.反对称模的传播长度大,容易被激发.同时其模式尺度大,限制了器件的集成密度.对称模的模式尺度远小于反对称模,却难以被激发.为了应用对称模,提出了模式转换的理念.转换器根据变换光学被设计成均匀的各向异性介质.转换效率可接近80%.

表面等离子体激元波导测量材料的折射率

利用表面等离子体激元不仅可以实现在纳米尺度上操控光子,而且为发展更加微型化、集成化的光波导等光学元器件提供了有利条件.如果表面等离子体激元波导金属薄膜一侧材料的折射率已知,那么利用表面等离子体激元的场增强效应就可以对另一侧材料的折射率进行高灵敏度的探测.作者利用Mathematica软件对表面等离子体激元波导如何测量衬底一侧材料的折射率进行了模拟,得到了物质折射率与模场分布和反射谱峰值之间的关系,为理解表面等离子体激元波导的测量机理提供了思路.

基于表面等离激元共振效应及表面钝化提高异质结太阳电池效率的研究

基于硅纳米孔(SiNHs)/银纳米颗粒(AgNPs)纳米复合薄膜制备了无机/有机物混合太阳电池,并且研究它们的光吸收谱和光电转换等性能。SiNHs/AgNPs纳米复合薄膜利用金属辅助化学刻蚀方法获得,然后在制备好的薄膜上旋涂一层有机聚合物PEDOT∶PSS作为空穴传输层。从光吸收谱可以看出,有AgNPs的纳米复合薄膜有明显的吸收峰,并且在短波区域,相比于没有AgNPs的纳米复合薄膜,整体的吸收有较大的提高。同时,有AgNPs的太阳电池的短路电流密度和外量子效率均有明显的提高。尤其在对纳米复合薄膜表面进行钝化处理后,该混合异质结太阳电池的光电转换效率最高可达到5.5%。认为,这主要是由于AgNPs的局域表面等离激元共振效应和钝化减少纳米复合薄膜表面缺陷等原因使电池的性能有较大的提高。

基于等离激元多重杂化效应的光吸收结构

近年来,以聚合物为代表的高分子材料由于具有比其他光吸收材料(如半导体材料、碳基材料以及贵金属纳米材料)更好的柔性和粘弹性而受到广泛关注.本文基于等离子体再聚合技术和磁控溅射工艺在聚合物材料层上制备了具有等离激元多重杂化效应的光吸收结构,该结构具有宽谱高吸收特性.该结构的制备工艺简单易行,对不同聚合物材料具有通用性,在光学器件领域具有广泛的应用前景.

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。

表面等离子体激元在圆筒形金属波导中的角动量特性

利用解析方法计算了金属圆筒系统中的光子自旋特性,研究结果显示:每个传输本征模都具有反常自旋特性,且自旋特性与本征模式的阶数有关;横向自旋方向与传输方向锁定,形成手性关系,横向自旋方向在圆筒内部遵循左手螺旋规则,在圆筒外部遵循右手螺旋规则.

基于表面等离子体激元的金属光栅波导分析

通过研究基于SPPs设计的四层光纤布拉格光栅中光信号传输发现,这种新型光波导具有异常的透射和反射现象,且透射谱中具有明显的禁带。文中同时根据透射和发射谱线研究了在1550nm通信波段附近的反射率变化,给出了通过改变光栅周期来对反射谱进行调谐的方法。最后通过数据分析了光栅周期均匀变化时,反射谱波谷的均匀变化规律。

一种新型表面等离激元波导系统

提出了一种新型表面等离激元波导系统,并对其模式特性和对纳米微粒产生的光学力进行了研究。采用有限元软件(COMSOL)对该系统进行了数值模拟和理论分析,发现在该结构纳米级的间隙中可以形成深亚波长电磁能量的束缚。由于双波导结构之间强烈的耦合作用,相比于已有的一些表面等离激元波导,光学力至少提高了一个数量级,达到了4 200fN/W以上,同时被捕获粒子的局域范围仅有几十纳米。该波导系统可以用于强力、高精度纳米级光镊的设计和研究。

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。