表面等离激元与入射光共同作用下的金纳米结构近场调控

表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)激发纳米结构产生的局域等离激元(localized surface plasmon,LSP)具有更强的近场增强以及特殊的光谱和动力学响应,为探究光与物质相互作用提供了新的思路,然而目前对此方面的研究相对不足.本文利用时域有限差分方法研究由半圆环狭缝与金纳米棒组成的等离激元聚焦透镜复合结构在双光束激发下的近场特性.结果表明,通过调节双光束相对时间延时,可实现对复合体系中金纳米棒近场强度的灵活调控,并揭示出调控机制来自于SPP激发LSP与光激发LSP相干叠加.此外,研究表明在不同双光束延迟时间下,等离激元模式对应的去相位时间存在差异,可将其归因于两个模式在不同延迟时间下的耦合强度存在差异所致.该研究有望进一步促进等离激元在表面增强拉曼散射和等离激元远程催化等领域的应用.

表面等离激元共振(SPR)生物传感器对聚氨酯材料血浆蛋白吸附的实时原位动态研究

应用实验室自行研制的自动扫描式表面激元共振 (SPR)生物传感器对三种聚氨酯材料进行了血液蛋白质吸附实验 ,以传感片上的金膜作为对照材料。同时应用原子力显微镜对金膜和聚氨酯材料的超微结构与材料表面上所吸附的蛋白质进行了表征。实验结果显示 ,四种材料对纤维蛋白原和IgG的吸附量顺序均为 :金膜 >H5 0 0 >H5 0 5 0 >H5 0 10 0。T 检验结果表明 ,金膜对纤维蛋白原和IgG吸附量与三种聚氨酯材料均有显著差别。该结果表明聚氨酯材料的血液相容性明显好于金膜对照材料。

腔体模式下表面等离子激元共振的仿真研究

为了分析腔体模式下表面等离子激元共振情况,介绍了电介质球腔体本征模式的多重散射解析方法和有限元数值计算方法(comsol软件),运用有限元法建立简单模型进行数值仿真,简要分析腔体模式与金属表面等离子激元的耦合,重点分析了小球半径与表面等离子波长的关系,提出了改变小球半径来影响表面等离子波长的构想,并提出了近似的公式。

表面等离激元纳米球中量子和非局域效应对自发辐射动力学的影响

基于局域响应近似模型(LRA)、非局域流体动力学模型(HDM)、广义的非局域光响应模型(GNOR)和量子流体动力学理论(QHT),利用格林函数预解算子方法,研究钠金属球附近原子的自发辐射动力学特性.对于自发辐射增强谱,在LRA、非局域HDM和GNOR中,量子压力导致峰位蓝移,峰值急剧降小,而在QHT中,电子溢出导致峰位红移,峰值急剧增大.系统研究不同跃迁频率和偶极矩对自发辐射动力学的影响,当原子的跃迁频率与QHT下自发辐射增强谱的峰值相等时,不同模型下呈现出指数衰减和Rabi振荡的特征;而当原子跃迁频率远小于共振频率时,对较小的跃迁偶极矩,动力学均呈现出指数衰减.为获得表面等离激元-原子束缚态,QHT模型下的临界偶极矩最小,而HDM和GNOR模型所需的临界偶极矩最大.

椭圆截面活性银纳米管表面等离激元受激辐射放大研究

基于有限元方法研究了内核包含活性介质的椭圆截面银纳米管的表面等离激元受激辐射放大(SPASER)特性.研究发现,在电场偏振方向与椭圆长轴之间的夹角θ为0°时,当银纳米管活性内核的增益系数k增加到0.281 8,将在639.3 nm波长位置处产生表面等离激元(SP)偶极超共振;此时,在银纳米管表面可获得的表面增强拉曼因子可达到约2.56×10^(18),其足以满足单分子检测的要求.在θ=90°时,当k值增加到0.081 7,将在742.3 nm波长位置处发现SP偶极超共振.此外,当θ=0°时,银纳米管的SPASER增益阈值将随着银壳层厚度的减小而逐渐减小;当θ=90°时,银纳米管的SPASER增益阈值将随着银壳层厚度的减小而逐渐增加.当θ=45°时,随着内核增益系数变大,将逐渐在两不同的临界波长位置观察到SPASER现象,因而具有较好的双频特性.

偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦研究获进展

表面等离激元（ surfaceplas-mons ）是一种局域在金属和电介质界面处的电磁场模式，能够突破光学衍射极限，将携带的光学信息和能量局域在亚波长尺度。在高端纳米光学应用领域，如高分辨近场光学成像、针尖增强拉曼光谱，光学集成器件、纳米光刻、光学信息存储以及生物传感等领域，通常需要将信号光聚焦至纳米量级，因此对表面等离激元纳米聚焦的研究成为近年来国内外的研究热点。传统的表面等离激元聚焦一般采用二维金属纳米结构，如牛眼结构、弧形纳米孔阵列、渐变球链、楔形波导以及二维光栅等结构，对入射光的偏振方向具有强烈的依赖性。针对这些问题，最近中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理重点实验室的李家方副研究员、李志远研究员与微加工实验室的顾长志研究员、牟佳佳博士研究生、李无瑕副主任工程师合作，在偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦方面的研究获得进展。

表面等离子体激元共振方法检测三聚氰胺的含量

基于三聚氰胺与DNA的反应,建立了一种利用表面等离子体激元共振技术检测三聚氰胺的方法。固定在芯片表面的NH2-A15捕获T15-biotin和链霉亲和素的混合溶液。当有三聚氰胺存在时,由于三聚氰胺可以与胸腺嘧啶(T)结合导致连接到芯片表面的T15-biotin和链霉亲和素减少,SPR信号与没有加入三聚氰胺时的信号值相比有所下降。因此,SPR信号的变化可反应三聚氰胺的浓度。该方法对三聚氰胺的最低检测浓度为0.32 n M,为检测牛奶中三聚氰胺的含量提供了可能。

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。

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.

贵金属纳米结构表面等离激元研究获系列进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所副研究员张俊喜与中国科学技术大学光学与光学工程系、英国Aston大学光子技术研究所（AIPT）、澳大利亚国立大学非线性物理中心等单位科研人员合作，在贵金属纳米结构表面等离激元研究中取得系列进展。实现光与物质之间强的相互作用在设计光子器件上有重要意义，构筑共振腔体是实现光与物质强相互作用的重要途径。传统介电共振腔体有高的品质因子，但模式体积大，要减小其物理尺寸到亚波长受到光衍射极限限制。

基于表面等离子激元的口径耦合多功能非对称半圆腔滤波器设计

采用口径耦合的方法构造了一种金属-介质-金属非对称结构滤波器,由两个半圆腔通过两个矩形口径与波导管相连形成.运用有限元法仿真计算获得了该结构的磁场、透射谱、带宽及边沿陡峭度分布曲线.研究结果表明,通过调节结构参数,滤波器的透射曲线出现明显的红移或蓝移现象,且曲线分布平滑,其通带透射比高达0.95,阻带则具有平坦特性且透射比低至0.001,通带、阻带均具有较宽的带宽.对滤波器进行结构参数优化,可以实现类似矩形滤波器的特性,在光通信波段的三个通信窗口能够实现通道选择的滤波功能.该滤波器在微纳光学器件集成尤其是光通信系统中有良好的应用前景.

太赫兹表面等离激元共振传感器探讨

太赫兹表面等离激元共振传感器,在生物科学以及医学领域中的应用比较广泛,本文主要通过对于经过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器工作特性的分析,实现对于太赫兹表面等离激元共振传感器的分析探讨。

开口狭缝调制的耦合微腔中表面等离激元诱导透明特性

耦合的波导-微腔结构在光滤波器、光调制器中有着广泛的应用.结构的光传输性质主要由模式的耦合强度来决定,而耦合强度通常通过控制结构间的几何间距来实现.由于电磁波在金属中急剧衰减,这为控制金属微腔中模式的耦合带来了巨大的挑战.本文利用金属微腔中法布里-珀罗模式的共振特性,在微腔中引入开口狭缝,通过调节狭缝的缝宽以及偏移位置,来控制模式的泄漏率以及耦合强度,实现了可调控的表面等离激元诱导透明效应.当狭缝的开口宽度或者偏移量增加时,结构透射谱的透射峰值和半高全宽也会相应地增加.狭缝的几何参数变化会对结构共振特性产生调制,文中通过时域耦合模理论对相应的物理机进行了解释.本文的结果为实现利于加工的紧凑表面等离激元器件提供了思路.

基于表面等离激元交叉耦合作用的纳米金属双缝异常透射现象

利用二维时域有限差分方法研究了非对称纳米金属双缝结构在薄隔层情况下对光波的异常透射特性,以及狭缝长度、狭缝数目和入射角度对透射特性的影响.研究发现,该双缝结构中传导的表面等离激元波通过渗透中间隔层材料产生交叉耦合作用,形成对称和反对称耦合模式,导致其透射谱在特定波长位置处形成双共振峰传输和一个透射率为零的透射抑制现象;双缝结构中表面等离激元波交叉耦合作用的本质是其横向电场分量渗入中间隔层材料产生的相互干涉作用,而横向电场分量的初始相位差决定双缝结构中形成的表面等离激元波耦合模式的类型.由于双缝结构的透射极值与各狭缝腔内的法布里-珀罗共振效应密切相关,因此狭缝长度决定透射极值的波长位置,而狭缝数目和入射角度只影响透射峰的传输效率.该双缝结构具备光学滤波和空间分光功能,在新型纳米光子器件领域具有潜在的应用价值.

表面等离子体激元学：可重构型耦合

最近研究人员证实了一种可重构的单向耦合方案。这种方案可用于激发金属表面的电子集体振荡，形成所谓的“表面等离子体激元”。英国伯明翰大学ZhangShuang教授研究组人员在一层金属膜上实现了自由空间光子与这些表面状态之间的高效可控耦合。

基于并行FDTD方法分析表面等离子波导的特性

设计了一种双L形表面等离子体矩形环谐振器波导,采用并行时域有限差分方法,对这种波导的传输特性随几何结构参数的依赖关系进行了分析.计算结果表明通过改变输入/输出光波导的结构参数,可以调节该波导的消光比和频率选择特性.该波导结构能够有效地抑制后向辐射干扰并且大幅度地提高其场消光比,这使得此类谐振器结构更具有功能性.

有限厚度金属薄膜等离激元振荡

表面等离子体(surface plasmons,SPS)是一种电磁表面波,它在表面处场强最大,在垂直于界面方向是指数衰减场,它能够被电子也能被光波激发。表面等离子体是目前凝聚态的一个重要的研究方向,它受到了包括物理学家、化学家材料学家、生物学家等多个领域人士的极大的关注。

非对称介质环境下深亚波长结构表面波的高效激发

数值模拟了单亚波长狭缝结构在透射方介电常数εd增大时界面上表面波的激发效率。通过调整结构参数和介电常数,表面波的激发效率可以提高近40倍。表面波包括表面等离子体激元波(SPP波)和准柱面波(QCW波)。在不同的缝宽和介电常数条件下,它们对总的表面波激发效率的贡献不同。在近红外波段高介电常数环境下的高激发效率主要归因于SPP波的高效激发。该结构简单易于加工,对于纳米光子器件的制备和应用具有重要作用。

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。

用流体力学方法研究等离子体中的有质动力

本文应用流体力学方法,引入双流模型,用双时标处理,对Langmuir等离子体中的有质动力进行了研究,得出了有质动力的表达式,并对公式进行了讨论。