基于人工表面等离激元的小型化电可调缺口带滤波器

具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景.本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器.与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比,所提出的倒山形单元的色散曲线表现出更好的慢波特性,渐近频率降低至原来的55%.缺口带的频率可通过调整变容二极管两端的偏置电压来动态控制.随着偏置电压从0.5 V增至30 V,缺口带频率从2.1 GHz移动到2.3 GHz,实现动态调节.仿真结果表明,缺口带滤波器通带内实现了较低的插入损耗(S_(21)<-1 dB)和良好的回波损耗(S_(11)>-10 dB),并且具有小型化的优势,尺寸仅为0.78λ_(g)×0.35λ_(g),λ_(g)是中心频率处的波长.采用印刷电路板技术实际加工了缺口带滤波器.实物测量和仿真结果吻合较好,验证了设计的可靠性.

银纳米一维复式阵列表面等离激元光谱性质

纳米尺寸的贵金属在入射光的激发下能够产生表面等离激元效应,即光在金属表面与电子发生耦合,引起金属表面自由电子集体震荡的现象。当自由电子的震荡频率与入射光的频率相同时,可以引起等离激元共振,产生独特的光谱特性。贵金属纳米颗粒的等离激元共振效应在物理、化学、生物等各个领域具有广泛应用。基于银纳米颗粒,提出一种一维复式阵列结构,利用时域有限差分方法研究该贵金属阵列的表面等离激元性质。在该结构中,以SiO_(2)为基底,两种不同的银纳米颗粒沿y轴方向放置在SiO_(2)基底的表面上,形成一维复式阵列,平面波入射光沿z轴负方向垂直入射。实验观察到,在300~1200 nm的波长范围内,该复式阵列结构的表面等离激元能够被有效激发,在其吸收光谱上有两个等离激元共振峰。通过调节该结构纳米颗粒的尺寸、形状和阵列周期等结构参数,等离激元共振峰和电磁场模式均发生有规律的变化。此外,固定其中一个银纳米颗粒不变,改变另一颗粒尺寸,可以发现其吸收曲线的两个共振峰发生不同的变化,结合电场图可以得出两个峰所对应的等离激元共振具有不同的电磁场模式。通过改变其中一个银纳米颗粒的形状,如四棱锥、球体、圆柱体和正方体,可以发现当颗粒形状发生变化时,两个共振峰对应的波长均不发生变化,但是不同颗粒形状所产生的电场分布明显不同,底面处的相对电场强度差别也很明显,依此同样可以验证其吸收曲线存在两个不同电磁场模式的共振峰。研究结果对基于贵金属纳米颗粒阵列结构表面等离激元器件的设计研究工作具有一定意义。

面向极端环境的石墨烯人工表面等离激元天线阵

面向极端环境中的通信与探测需求,提出一种石墨烯人工表面等离激元天线阵。该天线采用高导电石墨烯薄膜材料制成,结构形式为人工表面等离激元。其中,人工表面等离激元电磁结构分为传输段与辐射段,传输段用以实现显著的慢波特性与场局域性,进而获得低剖面与小型化;辐射段用以实现高定向性的端射辐射,并进行方向图合成。高导电石墨烯薄膜使天线拥有多种物化环境下的耐受性。经仿真与实测验证,天线整体剖面为50μm,在1000次弯折试验、-200~200℃高低温试验、酸性试验、碱性试验、盐雾试验的极端条件试验后,能够提供5.5~6.5 GHz频段范围内S11参数小于-10 dB良好的阻抗匹配,工作带宽内峰值增益为9.3 dBi。

基于等离激元超表面的径向和角向偏振矢量光束的产生

为满足信息大容量和快速传输处理的需求,小型平面化集成光学器件正逐渐代替传统的大体积折射器件,可在亚波长尺度进行光波操控的超表面结构为微纳光子学器件设计和相关物理现象的研究提供了全新途径.该文设计了一种由正交纳米缝对组成的表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)超表面,实现了径向和角向偏振矢量涡旋光束的产生.利用惠更斯-菲涅尔原理从理论上推导出螺旋超表面中心区域的表面等离激元光场表达式,并利用时域有限差分法(FDTD)进行了模拟计算.实验搭建显微成像系统采集的SPP光强分布图样与FDTD模拟和理论计算结果吻合得很好,验证了利用该超表面获得径向和角向矢量涡旋光束的可行性.

基于人工表面等离子激元的宽带谐振天线

针对传统微带和介质谐振天线(DRA)带宽较窄和尺寸较大的问题,提出了一种基于人工表面等离子激元波导谐振腔的宽带天线。该天线人工表面等离子激元(SSPPs)波导由对称的H型单元结构组成,谐振腔由同轴探针馈电,利用波导单元偶模和奇模两种模式的色散特性,实现了天线带宽的显著增大。该天线工作频段为8.8~12.4 GHz,相对带宽为33.9%。在工作频带内,天线的辐射效率大于92%,最大增益达到了6.8 dBi。此外,天线为低剖面结构,整体尺寸较小,结构简单,利于各种无线通信和传感系统的集成。

使用十字纳米结构实现表面等离激元定向发射的超快时空控制

飞秒传输表面等离激元(femtosecond propagating surface plasmon, fs-PSP)的超快时空控制是光子纳米电路元件中超快信息处理的先决条件。目前多数的研究都是集中在对SPP空间传输方向上的操控,大多集中于在空间场中实现SPP的优先发射方向的主动控制,在时间尺度实现对SPP超快调控的研究相对较少,通过使用纳米定向耦合器实现对SPP优先发射方向的超快时空调控研究几乎未见报道,在这里,利用时域有限差分(FDTD)进行仿真,研究了两种相关结构的表面等离激元的超快时空操控,解决了SPP发射方向的单一性问题,增加其超快切换方向的自由度。这项成果对优化现有的等离激元纳米电路组件中超快信息处理系统乃至拓宽其应用领域具有重要的推动作用。

基于表面等离激元的光学氢气传感技术

综述了基于表面等离激元(surface plasmon,SP)的光学氢气传感技术的研究进展,重点介绍了两种基于SP的测量方法,即局域表面等离激元共振法(localized surface plasmon resonance,LSPR)和表面等离激元共振法(surface plasmon resonance,SPR),继而阐述了基于这两种原理的传感器的测量方法、传感结构和传感特性。此外,回顾了现有的各种不同的光学氢气传感器,并介绍了它们各自存在的优/劣势。最后,强调了未来基于SP的光学氢气传感器的发展方向和重要挑战,如具备特异性和稳定性的特殊材料、不断发展与应用的新型纳米结构以及可以适应未来需求的多点式传感。

InSb光栅耦合的太赫兹表面等离激元共振传感方法

仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构,该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成.基于波矢匹配方程的仿真结果表明,当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时,光栅的–1和+1级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP.由于采用商业THz时域谱装置可以准确测量低频SPP,本文系统地分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系.仿真结果表明:InSb光栅耦合的THz-SPP共振传感芯片的折射率灵敏度随光栅周期的增大而减小;当光栅周期为120μm、入射角为30°时,折射率灵敏度为1.05 THz/RIU,在此条件下,传感芯片不能对生物分子单分子吸附层作出可探测的响应,究其原因是,低频SPP的消逝场穿透深度远大于生物分子尺寸,致使两者相互作用不足.为了探测生物分子,仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法.多孔薄膜具有分子富集作用,能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度,从而提高传感器的生物检测灵敏度.以酪氨酸吸附为例的仿真结果表明,当InSb光栅表面覆盖厚度为120μm、孔隙率为0.4的多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜后,其吸附灵敏度为0.39 THz/单位体积分数.

等离激元纳腔的构建及其在表面增强拉曼散射中的应用

表面增强拉曼光谱(SERS)技术由于其高灵敏度、指纹特性和非破坏性等特点,在各领域引起了广泛的关注和应用。金属纳米结构形成的纳米尺寸的间隙(纳腔)作为SERS技术的重要组成部分,其形貌、组成和间距决定了SERS光谱的灵敏性和稳定性。因此,构建高质量的等离激元纳腔备受关注。本文旨在综述纳腔的构建方法及其在SERS中的应用。首先,介绍SERS增强的基本原理;其次,分类讨论制备高灵敏、可调控及均匀纳腔的方法,包括疏水衬底自收缩法、两步光还原法、模板法、自组装法和应变诱导开裂法等;再次,介绍SERS技术在食品安全、环境卫生以及生物医学等领域中的应用;最后,对SERS技术的前景进行展望,指出其在不同领域中的潜在应用价值和挑战。

基于高双折射侧边抛磨光子晶体光纤的表面等离激元共振双参量传感器

利用表面等离激元共振(SPR)技术设计了一款高双折射光子晶体光纤(PCF)传感器,可以实现宽范围的双参量高灵敏度传感.采用侧边抛磨的结构,内部空气孔呈三角晶格排列.金纳米层涂覆在抛磨面直接与待测物接触作为测量折射率RI的通道,更加方便检测工作的进行,靠近纤芯的椭圆孔内充满氯仿用来探测温度.两个独立的通道以及由非对称引入的双折射可以确保独自测量折射率和温度的变化,解决了交叉灵敏度问题.借助全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics,灵活使用散射边界条件可以很好的对光子晶体光纤传感器的光学特性进行数值分析研究.实验结果表明,文中提出的传感器可以测量折射率范围为1.32~1.39,温度范围是20~60℃,在500~1100 nm的波长范围内可以观察到明显的表面等离激元共振效应.为了进一步分析该结构的性能,对主要结构参数(抛光面金膜厚度m_(1)、Ta_(2)O_(5)厚度m_(2)、中心空气孔直径d1以及占空比)做了研究分析.仿真结果得到折射率传感下的平均波长灵敏度5700 nm/RIU,最大波长灵敏度13200 nm/RIU,最大振幅灵敏度818.44 RIU^(-1),传感器的折射率分辨率为1.75×10^(-5)RIU.温度传感范围为20~60℃,得到最大波长灵敏度为2.6 nm/℃,最大振幅灵敏度为0.363℃-1,以及传感器的温度分辨率为3.84×10^(-2)℃.该工作对于高灵敏度、实时、分布式、多参量测量SPR传感器的设计和实现具有指导意义.

基于手性等离激元超表面的生化检测技术研究进展

超表面由亚波长尺度的人工微纳结构组成,可增强共振波长下光与物质的相互作用,并提高近场生化分子的信号强度。其中,手性等离激元超表面可稳定有效地增强手性分子的手性信号,有助于实现对痕量分子的检测。为满足生物、化学、环境等诸多领域对检测器件的高分辨率和高灵敏度要求,基于手性等离激元超表面的生化检测技术研究日益丰富。作者综述了手性等离激元超表面生化检测的机制及手性等离激元超表面的研究进展。在生化检测方面,作者介绍了手性等离激元超表面在环境介质检测、手性检测、荧光检测及表面增强拉曼检测中的典型应用。最后,作者对手性等离激元超表面在生化检测领域的应用前景进行了展望。

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。

银纳米颗粒局域表面等离激元增强型Sb2S3光伏器件的模拟研究

当入射光与金属纳米颗粒相互作用时,会在颗粒表面引发局域表面等离激元共振,这一效应能够显著增强近场强度。这种增强作用可以有效提高Sb2S3材料的激发态密度,从而加强光伏器件对入射光的吸收能力,并进一步提升其光电转换效率。此外,金属纳米颗粒的引入还能利用前散射效应增加入射光在光吸收层内的传播路径,进一步增强光吸收。基于这些原理,本文设计了一种新型的Sb2S3光伏器件,其中集成了银纳米颗粒以实现局域表面等离激元的增强效应。选择银纳米颗粒是因为其成本较低且制备相对容易。所设计的器件结构为FTO/ZnO/CdS/Sb2S3/C/Au。为了深入了解器件的性能,我们采用时域有限差分法进行了数值模拟。模拟结果展示了器件在不同平面下的电场分布以及其对不同波长入射光的吸收率曲线。模拟数据表明,银纳米颗粒的引入有望显著提升Sb2S3光伏器件的性能,为实验制备高效能的Sb2S3光伏器件提供了理论支撑和指导。

具有尖锐吸收截面和显著增强电场的等离激元-光子混合谐振腔

研究了由二维光子晶体微腔和金纳米天线组成的等离激元-光子混合谐振腔中光学谐振腔对等离激元谐振腔的额外贡献。研究结果表明:与纯等离激元谐振腔相比,混合体系的吸收截面和电场强度均明显增强。特别地,混合谐振腔的吸收截面谱呈现出类Fano线形和尖峰,可以通过改变金纳米天线的数量或金纳米天线与光子晶体微腔之间的共振波长失谐进行调制。此外,混合谐振腔的电场增强因子比金纳米天线高出3个数量级。可为光热探测和光谱增强研究提供新的平台。

基于等离激元法布里-珀罗腔折射率测量的实验设计

利用自下而上的纳米加工工艺,制备了一种由银纳米线对和金膜构成的等离激元法布里珀罗(F-P)腔。暗场散射光谱和数值模拟表明,金膜表面传输的表面等离激元经银纳米线对的多次反射下,会在腔内形成驻波现象,并在散射光谱中呈现出多光束干涉调制的光谱线型。利用这一原理设计一个折射率测量实验,通过测量不同浓度甘油溶液的折射率,得到了F-P腔共振波长随溶液折射率增大的线性红移规律。进而通过调谐F-P腔的长度,得到该F-P腔最高的探测灵敏度为555 nm/RIU。

基于局域表面等离激元Ag/金刚石纳米结构增强NV色心的荧光

在纳米光子学中,提高量子点的荧光强度是一个需要迫切解决的难题,现如今金属纳米材料是一种很有前途的荧光增强材料。通过Ag纳米结构的局域表面等离激元效应提高金刚石氮空位(NV)色心的荧光强度,制备了不同的Ag纳米结构(Ag纳米柱阵列和Ag纳米层),探究其对NV色心的荧光增强效果。结果表明,Ag纳米柱阵列结构的加入可将金刚石NV色心的荧光强度增强2.30倍,Ag纳米层结构的加入可将其增强1.54倍。并且,采用时域有限差分(FDTD)法分析激发和发射两个过程发现,金刚石NV色心的荧光强度随着Ag纳米结构的加入显著提高,由此验证了实验中Ag纳米结构对金刚石NV色心荧光增强的效果。此研究结果为后续进行量子点光致发光器件的设计提供了一定的参考。

表面激元共振(SPR)传感器理论分析

在基于ATR方法的SPR传感器设计和制作的工作中,为了得到更加优化的性能,对其原理进行了较为深入的分析。从表面激元波和全反射消逝波的数学模型入手,得到了共振角的数学关系及几个结论,并以金膜为例进行了计算机仿真。

等离激元银金属膜耦合氮化硅纳米空腔在可见光-近红外区间的多谱带完美吸收和传感性质的仿真研究

具有多谱带完美吸收效应的超构材料在光学滤波和折射率传感等多种应用中是理想的材料。提出了一种由银金属上的氮化硅介电纳米空腔阵列组成的多谱带窄带完美吸收超构材料。有限元仿真给出了四个最高可达99.9%的吸收峰,以及最小达到0.74 nm的吸收峰宽。这些吸收谱带来自于表面晶格模式和三个表面等离激元极化子模式。此外,这些模式的谱峰对超构材料几何外形和环境介质光学参数的变化敏感,从而在可见光-近红外范围内可以被调控。用于折射率传感时,其具有347 nm每折射率单位的灵敏度,Figure of Merit达到469。这些特性令这一材料适用于光学滤波器和折射率传感器等用途。

基于沙漏形人工表面等离激元和交指电容结构的双频滤波器设计

本文提出了一种在共面波导(coplanar waveguide,CPW)上加载沙漏形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)和交指电容结构的双通带滤波器.首先,在共面波导传输线上引入了沙漏形SSPP单元结构和交指电容结构,以获得高分数带宽、低插损的通带特性.然后,通过加载交指电容环路谐振器激发陷波,形成双通带滤波器.仿真结果表明,所提出的双通带滤波器具有良好的上边带抑制和双通带滤波性能.两个通带的相对带宽分别为46.8%(1.49—2.40 GHz)和15.1%(2.98—3.63 GHz),可在4.77—7.48 GHz的范围内实现超过—40 dB的抑制,且可通过改变相应的结构参数独立调控两个通带的上、下截止频率.为深入了解双通带滤波器的工作原理,给出了相应的色散曲线和电场分布、LC等效电路分析.最后,根据优化后参数数值,加工出滤波器原型实物.实验结果与仿真结果吻合良好,由此表明提出的双通带滤波器在微波频率的集成电路应用中具有重要意义.

基于戟形人工表面等离激元的紧凑型宽带外抑制带通滤波器

提出了一种基于戟形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)的具有宽频带外抑制特性的紧凑型宽带带通滤波器.设计的滤波结构是通过在基板底层蚀刻周期性的戟形槽和在顶层加载带有月牙形贴片的微带到槽线过渡结构实现的.与传统的I形SSPPs相比,戟形SSPPs具有更好的慢波特性,基于戟形SSPPs设计的带通滤波器可以实现更紧凑的结构.设计的滤波器通带的上下截止频率可以分别通过调整SSPPs结构和微带到槽线过渡结构来调节.仿真结果表明,宽带带通滤波器中心频率为2.85 GHz,相对带宽为130%,通带内的回波损耗优于–10 dB,在5.6-20.0 GHz之间具有极强的–40 dB带外抑制.设计的宽带带通滤波器结构尺寸紧凑,仅为1.08λ_(g)×0.39λ_(g),其中λ_(g)是中心频率处的波长.为了验证宽带带通滤波器的有效性,采用传统的印刷电路板技术加工了宽带带通滤波器.测量结果与仿真结果吻合较好,验证了设计的可行性.本文所提出的宽带带通滤波器显示了在微波频率下开发SSPPs功能器件和电路的良好前景.