等离激元材料和器件的动态调控研究进展

等离激元学连接着光子学和电子学,在光产生、显微显示、数据存储、光集成和光子芯片、传感技术和纳米制造技术等方面展示出重要应用,正极大地促进既拥有纳米电子学的尺寸又兼有介电光子学速度的新一代信息材料和器件的发展.但是,传统上绝大部分等离激元材料和器件都是基于静态的设计,即一旦被制备,其性能也就确定,人们无法根据需求进行实时的主动调控.因此,近年来人们开始从应用需求出发,致力于研制动态调控的等离激元材料和器件.本文总结等离激元材料和器件的动态调控研究进展,给出动态调控等离激元材料和器件的基本原理,即通过动态改变材料中金属微纳结构的等效介电函数、动态调节系统外部环境、动态控制结构中的耦合效应等,实现对等离激元材料和器件性能的实时动态控制.在此基础上,分别以等离激元材料、等离激元超构材料、等离激元超构表面等为例,展示在电、光、力、温度、环境等外部作用下相关材料和器件性能的实时改变和动态控制,期望推动发展新型亚波长光电功能材料和器件.

复合结构的等离激元模式耦合关系及光学特性研究

提出一种以Au为材料的正方形框和中空圆柱嵌套的亚波长周期性复合结构,采用时域有限差分算法对复合结构进行数值模拟研究。研究发现,波长在400~900 nm的线偏振平面波垂直入射情况下,最小的透过率能达到7.46%,最小的半峰全宽能达到7.25 nm,最大的反射率为87.61%,最大吸收率达到38.00%,且表现出透射光谱与入射光的偏振方向无关。分析发现,复合结构的共振模式由两基本结构的共振模式耦合而来,且嵌套模式可以进一步减小单一结构的透过率和增大光与复合结构的相互作用。通过改变复合结构参数,得到了较宽且高效的等离激元调控范围和较窄的透射光谱。这也为设计人工亚波长周期性复合结构的研究提供一定的理论指导。

Fluorescence Emission Mediated by Metal-Dielectric-Metal Fishnet Metasurface: Spatially Selective Excitation and Double Enhancement

Enhancement of uorescent radiation is of great importance for applications including biological imaging,high-sensitivity detectors,and integrated light sources.Strong electromagnetic elds can be created around metallic nanoparticles or in gap of nanostructures,where the local state density of radiating mode is then dramatically enhanced.While enhanced uorescent emission has been demonstrated in many metallic nanoparticles and nanoparticle pairs,simultaneous mediation of absorption and emission processes of uorescent emitters remains challenging in metallic nanostructures.Here,we investigate uorescent emission mediated by metal-dielectric-metal fishnet metasurface,in which localized surface plasmon(LSP)and magnetic plasmon polaritons(MPPs)modes are coupled with absorption and emission processes,respectively.For absorption process,coupling of the LSP mode enables spatially-selective excitation of the uorescent emitters by rotating the polarization of the pump laser beam.In addition,the polarization-dependent MPP mode enables manipulation of both polarization and wavelength of the uorescent emission by introducing a rectangular fishnet structure.All the experimental observations are further corroborated by nite-difference time-domain simulations.The structure reported here has great potential for application to color light-emitting devices and nanoscale integrated light sources.

中国光学十大进展:亚50 ns超快稀土掺杂上转换发光

稀土离子掺杂纳米颗粒具有稳定、窄带、多色的发光特性,相比量子点和染料分子,更不容易受到串扰、光闪烁、光漂白等效应的影响,因此受到广泛关注。然而,稀土离子的长荧光寿命(微秒至毫秒级)、低量子产率、弱荧光强度以及非定向发射等,限制了其在时间依赖纳米光子器件中的应用。等离激元纳腔耦合了光场和电子激发,有利于显著压缩荧光寿命、提高量子产率、增强上转换发光效率,并有效调控其发射方向。本文综述了纳腔调控稀土离子发光的有效途径及其相关研究进展,着重介绍了纳腔调控稀土离子产生亚50 ns超快上转换发光的工作,并对其在单光子源、量子通信和纳米激光器等方面的应用进行了展望。