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。

一种基于人工表面等离子体激元的小型化低剖面天线

针对高度集成化移动设备对贴片天线小型化与低剖面的需求,提出了一款基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的小型化高效率低剖面端射天线,通过在传统孔型单元中引入叉指分支,可有效减小SSPPs传输线的宽度,从而实现天线小型化。该设计结合SSPPs传输线非对称结构和导向枝节结构,实现了天线的端射,并兼具单层低剖属性。实测结果表明,该天线的工作带宽为8.68~9.25 GHz,且在整个工作带宽范围内天线的平均增益和辐射效率分别达到10.05 dB和91.5%。

基于人工表面等离子体激元的毫米波高扫描率四波束漏波天线

为灵活控制波束以增强多目标探测和跟踪功能,研制了基于人工表面等离子体激元(SSPP)的毫米波四波束高扫描率漏波天线(LWA)。根据正弦电抗调制叠加理论,对基片集成波导(SIW)槽缝形成的SSPP结构进行多周期性叠加调控,实现四波束扫描LWA。为改善天线的法向辐射性能,在SIW下表面周期性开槽,消除LWA的阻带效应。对设计的LWA进行加工和测试,结果表明在29 GHz~30.2 GHz的频带内,该天线的四个波束能从-52°连续扫描到+22°,扫描率达到18°/%BW,节约了频谱资源,并提高了多目标探测效率。

基于圆形腔的表面等离子体带阻滤波器研究

为研究弯曲波导结构的双边耦合效应对耦合强度的影响,提出一个弯曲波导耦合内嵌十字银条的圆形空腔带阻滤波器,采用有限元法对滤波器结构进行仿真分析。与现有直波导耦合内嵌十字银条的圆形空腔结构对比,弯曲波导结构具有更好的滤波性能,例如最小透射率降低10.44%;改变银条尺寸时模式2阻带透射率值降低近60%。进一步研究表明,通过调整内嵌银条尺寸及相对角度能够实现共振波长调谐、单频带与双频带的切换以及对半峰带宽等的控制,最小半峰带宽分别为11.0152 nm和9.9869 nm。并且对于介质折射率的变化(变化范围为1~1.12),该结构折射率灵敏度保持恒定。所提出的滤波器结构具有良好的频选及窄带带阻滤波特性,在窄带滤波和波分复用等系统中具有重要应用价值。

基于人工表面等离子体激元的小型化低通双陷波滤波器

该文提出了一种由单边复合周期人工表面等离子体激元(SSPPs)波导和叉指谐振器构成的新型小型化低通双陷波滤波器。该滤波器首先去除了传统SSPPs滤波器的模式转换结构,有效地减小了滤波器的尺寸,从而实现滤波器的小型化。此外,该滤波器分别在SSPPs传输线和底部金属板引入叉指谐振器,从而产生两个传输零点,实现了两个可独立调谐的陷波。仿真与实测结果均表明,该文所提出的滤波器具有较高的传输效率,其截止频率为8.3 GHz,带内的回波损耗低于16.6 dB,陷波抑制均达到20 dB。

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。

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。

表面等离子体激元透镜设计及其数值计算

提出了一种新的表面等离子体激元透镜的设计方案,该方案通过在两个亚波长小孔的外表面放置电介质光栅实现对入射光束的有效会聚。利用遗传算法研究了波导中表面等离子体激元的色散关系,结果表明,通过调节亚波长小孔的宽度和介电常数可以有效地调控有效折射率,从而实现对亚波长金属平板波导结构中表面等离子体激元传播特性的调控。利用时域有限差分方法(FDTD)结合完美匹配层(PML)边界条件数值模拟了此结构中的光场分布,讨论了光栅周期数对成像特性的影响,从而深入理解了纳米聚焦效应的物理机制。结果显示,随着表面光栅数的增多,焦距和焦斑大小都在增加。光栅数从5增加至11时,焦距由1.715μm增大至2.325μm,焦斑大小由0.615μm增大至1.715μm,这一结构有可能被用作未来集成光路中的纳米聚焦器件。

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计（英文）

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.

表面等离子体激元增强薄膜太阳电池研究进展

表面等离子体激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性,对基于表面等离子体激元共振的纳米结构体系的研究已形成了一门新兴的学科,即表面等离子体光子学。可以利用金属纳米颗粒光散射、近场增强以及高度局域的表面等离子体极化激元增强薄膜太阳电池光吸收,提高电池转换效率。当前,表面等离子体光子学应用于太阳电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的一个热点。文章主要介绍表面等离子体激元增强薄膜太阳电池光吸收的原理及其在光伏器件中应用的最新研究进展。

表面等离子体激元基本特征研究

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是束缚在金属表面的一种电磁波模式。研究了SPP的基本原理,推导出它的色散方程,计算了在可见光到近红外区域的与SPP有关的4个特征长度:SPP波长、SPP在界面上的传播距离以及SPP在介质和金属中的穿透深度。

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式;层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多;在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.

表面等离子体激元共振与生物分子相互作用分析

对表面等离子体激元共振（ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）的原理和在生物学研究方面的应用进行了综述这种技术可以直接原位、实时地跟踪生物学实验研究系统，而不需要附加参数如进行标记等手段，具有高敏感性，也可以连续监测吸附或解吸附过程，目前有关的应用涉及到生物学结合分析、动力学及亲和力测定、免疫识别研究。

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,纳米粒子呈类"花朵"形时,样品出现透射峰和平板聚焦行为,但强度不高;当粗糙程度继续增加,纳米粒子呈树枝状时,出现了较强的透射峰与平板聚焦行为.研究证实通过改变纳米粒子表面形貌,可以调控表面等离子体激元与入射光的相互作用,从而实现对光传播的操控.

基于圆角矩形结构的表面等离子体激元滤波器与光开关

提出并研究基于圆角矩形结构的表面等离子体激元带通滤波器,运用时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)对滤波器的透过率特性进行模拟仿真.由于采用圆角矩形结构,滤波器的透过率在带宽不变的情况下被优化.通过改变圆角矩形谐振腔的圆角半径以及腔长,可以实现所需要的透过率光谱.在圆角矩形结构基础上提出1×2解复用器,通过将输出端2与谐振腔耦合处的波导增长120 nm,实现了抑制共振模作用.通过在滤波器的圆角矩形谐振腔中注入具有双折射效应的液晶Merck BL009,提出具有波长选择作用的光开关.结果表明,基于圆角矩形结构的等离子体激元滤波器在纳米光学器件中具有很好的应用前景.

中远红外波段周期凹槽金属表面的等离子体激元

对中远红外波段周期凹槽金属表面结构上传播的表面等离子体激元(SPPs)进行了研究,结果表明金属表面刻周期凹槽可以显著降低人工SPPs的渐近频率,并能提高金属表面对电磁场的约束能力.进一步研究了该波段金属的吸收损耗对人工SPPs(SSPPs)特性的影响,结果显示基于刻槽周期表面结构,不仅可以获得场的亚波长约束,还可以实现长距离传输.通过对电磁波沿该表面结构传输特性的模拟,验证了表面结构所支持的SSPPs的导波能力.该表面结构对设计和开发中远红外波段的新型集成导波器件具有参考意义.

基于表面等离子体激元效应的可调制滤波器

针对常用的光学滤波器滤波波长不可变的特点,提出一种利用表面等离子体激元效应实现可调制滤波的方法。该方法根据金属邻近电介质的介电常数发生改变时,金属与入射光波的表面等离子体激元耦合共振模式发生改变,以此实现滤波波长调制。在加工有亚波长纳米孔阵列的A u薄膜上制作了一可见光滤波器,实验中采用空气、酒精和油作为介质对器件进行调制。结果表明:相对于常用的光学滤波器,该器件由于可以方便地改变临近介质的介电常数,因此具有滤波波长连续可调、快速方便、波长变化精度高等特点。

太赫兹人工表面等离子体共面激发与高Q传感

本文提出使用单层光栅超表面结构耦合的方式实现太赫兹人工表面等离子体激元(SSP)共面激发,克服了通过介质耦合器在实际应用时需要反射测量等缺点。在单层金属结构上同时构造周期性光栅和太赫兹SSP复合结构,当太赫兹波垂直入射时,可实现光栅波矢和SSP波矢相匹配,激发SSP模式,在透射谱中可以产生高Q值谐振峰,其Q因子可以达到1923。分析了结构参数对光栅耦合超表面透射谱以及色散特性的影响。基于该结构透射谱中的高Q谐振峰进行传感研究,在谐振中心频率为0.22 THz时,实现传感灵敏度为67 GHz/RIU。本文所提出的光栅耦合超表面复合结构仅使用单层超表面结构实现了太赫兹SSP模式的激发以及高Q传感,在诸多实际应用领域具有较大的研究潜力。

基于类表面等离子体激元的矩形金属光栅色散特性的研究

等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPP)因其独特的光学和物理特性,使其具有诸如透射增强和局域共振等一系列新颖现象,已成为当前国内外学者研究的热点.本文对基于类表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmons,SSP)的矩形金属光栅色散特性和模式分布进行了研究.利用本征函数法并结合场匹配条件,获得了矩形栅表面SSP的场表达式、色散关系和模式分布,并通过电磁仿真进行了验证.在此基础上分析了矩形栅各参数对SSP色散及模式分布的影响,研究结果表明:由本征函数法获得的SSP色散特性与仿真结果基本符合;增大金属栅高度或减小排列周期能减小SSP的相速度;而增大金属栅周期占空比能在一定程度上拓展SSP与电子束互作用的带宽;改变金属盖板高度对慢波SSP色散模式基本没有影响;减小金属栅侧面宽度能增大模式之间的间隔,从而能有效避免模式竞争的发生.本文对基于SSP的矩形金属光栅色散特性的研究将为进一步研究SSP与电子束的相互作用,形成高效、宽带的新型太赫兹源奠定良好的理论基础.

基于人工表面等离子体激元带通滤波器的设计

设计了基于人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,spoof SPPs)的带通滤波器,在介质基板上覆上一层超薄金属铜,并将金属表面刻为周期波纹状金属条,同时结合马赫曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer,MZI),将金属条设计为MZI结构,并对MZI的干涉臂设计了两个取向相反的金属条结构,构成滤波器耦合部分,分析了耦合间距以及耦合单元个数对带通滤波器带宽的影响并进行了仿真。结果表明,该滤波器具有–3 d B从4.8 GHz到8.3 GHz的带宽。基于人工等离子体激元的带通滤波器的设计为今后人工表面等离子体在微波行业的应用提供了思路。