电子激励表面等离极化激元的粒子模拟

采用极化电流微分方程,对贵金属中自由电子与外电场的共振过程进行描述。将该微分方程与麦克斯韦方程相结合,运用时域有限差分(FDTD)方法,在粒子PIC模拟软件CHIPIC3D的基础上,实现了电子激励表面等离极化激元(SPPs)的模拟。通过对100keV电子平行于银薄膜表面运动、激励起表面等离极化激元的模拟,观测并分析了SPPs的场强及模式在银薄膜表面的分布,并验证了模拟结果的正确性。

表面等离极化激元的散射及波前调控

表面等离极化激元在片上信号传输、增强非线性/拉曼效应、生物/化学传感、超分辨成像等方面具有重要应用.在这些应用中,表面等离极化激元的近场传输及远场散射起着重要作用.然而,长期以来人们对相关物理效应缺乏简单有效的理论理解,这也限制了人们对表面等离极化激元的自由调控.本文首先简单回顾了表面等离极化激元的发展历史及现状,接着着重介绍了表面等离极化激元的近场传输效应和远场散射效应,包括其理论进展及其相关应用;最后还介绍了表面等离极化激元的近场波前调控的相关方法.基于这些进展,人们对表面等离极化激元的散射特性有了更为深刻的理解和更加强大的调控能力,这将对未来表面等离极化激元相关研究和应用带来启发.

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.

α-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中的声子极化激元-等离极化激元杂化波导模式

在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段,二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和a-MoO_(3)能够分别支持等离极化激元和双曲声子极化激元,实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富极化激元物理特性,为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了a-MoO_(3)薄片和单层石墨烯异质叠层结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程,分析了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性,计算了波导模式的色散关系,揭示了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了a-MoO_(3)/单层石墨烯异质叠层结构,并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像表征,验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型,为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。

基于表面等离激元的新型碲化铯光阴极研究

目前已有研究将表面等离极化激元(SPPs)引入铜阴极和锑钾铯光阴极中,大幅提高其量子效率。碲化铯(Cs_(2)Te)光阴极是一种极佳的在紫外频段可应用于中高平均流强的光阴极材料,而常用贵金属介电函数在紫外频段过低无法满足SPPs激发要求。本研究通过微纳光栅结构将SPPs引入Cs_(2)Te光阴极,形成局域增强场以提高光子吸收率,并调节光电子初始激发分布。为探索SPPs对Cs_(2)Te光阴极性能的影响,使用蒙特卡罗方法模拟引入SPPs前后光阴极的光电发射过程。结果表明,引入SPPs会导致光电子数量增加,从而显著提高Cs_(2)Te光阴极的量子效率约60%,且增加的光电子大多数分布于深层界面附近,在逃逸过程中各类碰撞概率增加,使发射度基本保持不变。

十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性

金属纳米线波导可以将光局域在亚波长尺度内传播,在纳米光子集成回路方面有着重要的作用.本文应用有限元方法,研究了十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性.结果表明,不同模式的表面等离极化激元在十字结构三个分支的输出依赖于端面的几何结构参数.此外,研究还发现由于不同模式表面等离极化激元叠加,在十字结构的分支上出现了周期性电场分布.

利用光子晶体调控表面等离极化激元

研究了空气/金属-介质超晶格结构界面处的表面等离极化激元。采用传输矩阵法,得到了金属-介质层状超晶格结构的能带分布以及表面等离极化激元色散曲线,发现通过调节界面处金属层厚度可以有效地调控表面电磁模式分布。若在金属层中外加静磁场,破坏了系统的时间反演对称性,表面等离极化激元表现出非倒易的特性。尤其在一定频率区间,会出现单方向传播的表面等离极化激元。

金属/介电鱼网结构中磁等离极化激元的研究

系统研究了具有负折射性能的金属/介电鱼网结构,发现其中的磁激发耦合形成了磁等离极化激元(MPP),从实验上观察到多个MPP模式,并对它们的激发频率进行了调控。这种磁激发形式具有新颖的特性,为今后的光学集成提供了新的思路。

应用分级凹槽阵列转换表面等离极化激元为空间任意弯曲光束

应用勒让德变换反演任意弯曲目标曲线对应的相位函数,通过该相位函数与不同级数凹槽阵列相位间满足的关系,确定凹槽阵列位置;再利用凹槽阵列将金属表面等离极化激元转换为空间任意弯曲光束。研究了目标曲线常数和结构参数对空间弯曲光束的影响。结果发现,空间弯曲光束的强度、弯曲形状以及传播距离依赖于弯曲曲线常数、槽深和槽宽。

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 .

金属纳米狭缝阵列的表面等离极化激元弯曲光束传输调控

表面等离激元弯曲光束(SPB)作为一种局域在金属表面传输的特殊光束,在光子操控和光学捕获等方面有着特殊的应用潜力。应用相位匹配法,设计了几种金属纳米狭缝阵列(V形、N形、M形及M+V形)结构,调控产生了SPB;讨论了入射光波偏振角度和结构参数对SPB电场强度的调控影响。以M形结构为例,讨论了结构臂之间的夹角、结构参数及结构间的耦合对SPB的影响。结果表明:不同结构产生的SPB电场强度随入射光波偏振角度的变化满足正弦函数分布;SPB电场强度分布受到结构臂之间的夹角、结构参数及结构间的耦合影响。用偶极子远场辐射强度和辐射角度满足的规律对结果进行了定性分析,为SPB产生器的设计和优化提供了指导。

表面等离激元的操控：原理与研究进展

近年来表面等离激元在物理学、生物学等领域的应用有非常显著的进展,针对表面等离激元在集成光路发展中的应用,重点介绍其传输、增益及传输损耗补偿、开关与调制等操控的原理与特性方面的最新研究进展.

表面等离激元研究新进展

随着理论研究的深入和现代微加工技术的进步,对支持表面等离激元的金属微纳结构体系的研究已形成了一门新兴学科方向,即表面等离激元光子学。由于表面等离激元具有独特的光学特性,在数据存储、超分辨成像、光准直、太阳能电池、生物传感器以及负折射材料等方面有着重要的应用前景,成为当前广受国内外学者重视的热点研究领域之一。本文对表面等离激元的特点、基本现象,以及其带来的新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍。

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.

法布里-珀罗谐振腔中石墨烯的等离激元光学性质

在法布里-珀罗谐振腔内可以实现电磁波和石墨烯中等离激元的耦合并形成等离极化激元.利用麦克斯韦方程结合边界条件得到了谐振腔中的电磁模式,研究了处于谐振腔中的石墨烯对腔模电磁波的影响,发现在太赫兹频段内,石墨烯的存在对腔模的影响较小.同时,利用麦克斯韦方程得到了谐振腔中石墨烯等离极化激元模式,发现谐振腔中石墨烯等离极化激元模式只能在谐振腔内以相对较大的波矢q存在.

电介质/金属/电介质膜系实现可见光波段高透兼容激光隐身研究

各类光电设备的光学窗口中普遍存在的“猫眼效应”是激光主动探测系统的主要依据,这对军事装备和单兵作战人员构成了极大的威胁.然而,在保证高可见光透过率的条件下,针对激光主动探测的狙击隐身方案仍然有待商榷.本文利用遗传算法对超表面减反射膜进行逆向设计,用Si_(3)N_(4)和Ag组成三层减反增透膜,并在其顶层增加长方形阵列的微纳结构金属形成波长选择性吸收器,以实现激光波长低反射高吸收的效果.将器件设计与遗传算法相互结合,通过算法优化得出最符合器件目标性能的参数组合,达到了可见光平均透过率88%,最大透过峰值94%,1550 nm激光波长反射率10%,吸收率80%的效果.本文设计的超表面减反射膜不需要增加额外装置且成像质量得以保证,同时能有效减小激光的回波能量,从而高质量地实现可见光透过与激光隐身的兼容,为反猫眼探测的作战策略提供了一种行之有效的设计思路.

Au纳米粒子二聚体-Au片耦合体系“热点”的尺寸效应

表面增强光谱“热点”效应一直是相关领域广受关注的主题,其中与尺寸和激发波长相关的动态“热点”转移效应的可控性是研究的重点和难点.本文利用有限元法(FEM)对Au纳米粒子球二聚体-Au片耦合体系进行了模拟计算,研究了激发波长和纳米粒子尺寸对体系不同间隙处电磁场增强的影响.结果表明,该体系所拥有的两种等离激元共振模式的分离和位置与纳米尺寸密切相关,并且影响该耦合体系的“热点”分布.当纳米粒子尺寸为30 nm,激发波长范围为450~535 nm和670~950 nm时,两种等离激元共振模式以协同效应为主,“热点”主要存在于粒子与粒子间隙;随着纳米粒子球尺寸增加至85~105 nm,激发波长范围分别为670~695nm和725~755 nm时,两种等离激元共振模式之间开始出现竞争效应,发现“热点”由粒子与粒子间隙处转移至粒子与金片间隙处.该研究结果为“热点”转移调控提供了新思路.

基于复合光栅和梯度超表面的多功能器件设计

设计了一种金属/介质/金属复合光栅与梯度超表面相结合的多功能器件。通过复合光栅的非对称结构实现光的非对称传输,当调制后的波矢量与表面等离极化激元的波矢量相匹配时,金属光栅激发的表面等离极化激元产生单波段光传输;通过梯度超表面实现光的异常反射。当x偏振态光波入射时,不同入射方向可在不同波段激发表面等离极化激元,由于上下光栅的不同周期和非对称的介质环境,光栅可分别在1128 nm和1550 nm处实现高透射率;另外在反向入射方向,该器件在1300~1400 nm整个波段表现为零吸收,反射率大于90%,可作为反射器。当y偏振态光波入射时,在反向入射方向器件通过相位梯度超表面实现异常反射。该结构可为各种偏振相关的多功能器件和集成光学元件提供参考。

三层金属矩形狭缝阵列透射峰的分裂与合并

【目的】探究奇数层金属光栅的中间金属狭缝与边界金属狭缝几何参数不同时对透射谱产生的影响。【方法】先设计出三层矩形狭缝阵列,再采用有限元法对其光传输进行数值模拟研究。【结果】得到的透射谱中主要存在三个共振峰,短波长透射峰与表面等离子共振对应,而两个长波长透射峰与局域波导共振对应。当金属狭缝的几何参数发生改变时,会出现表面等离子共振峰劈裂的现象,由此可知,中间波长透射峰是FP-SPP耦合模。几何参数的改变会引起FP共振峰合并,从而导致入射到第三金属层表面和狭缝内部的电磁波减少,使电磁场分量的分布情况发生变化。【结论】通过调节几何参数来实现共振峰的分裂或合并,为通过调控几何参数来增加滤波器的带宽提供一定参考。

创新

太赫兹SPPs新型光源为实现表面模式激光提供全新路径创新点发展新型光源对前沿科学与技术研究具有重要意义,表面等离激元因能将光限制在极小的空间区域中而有望成为未来小型光源的重要基石。中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室李儒新院士和田野研究员团队研发了太赫兹表面等离极化激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)相干光源,为实现高亮度的表面波光源提供了全新的技术途径。