Effects of interplay between metal subwavelength slits on extraordinary optical transmission

In this paper we study the extraordinary optical transmission of one-dimensional multi-slits in an ideal metal film.The transmissivity is calculated as a function of various structural parameters.The transmissivity oscillates,with the period being just the light wavelength,as a function of the spacing between slits.As the number of slits increases,the transmissivity varies in one of three ways.It can increase,attenuate,or remain basically unchanged,depending on the spacing between slits.Each way is in an oscillatory manner.The slit interaction responsible for the oscillating transmission strength that depends on slit spacing is the subject of more detailed investigation.The interaction most intuitively manifests as a current distribution in the metal surface between slits.We find that this current is attenuated in an oscillating fashion from the slit corners to the center of the region between two adjacent slits,and we present a mathematical expression for its waveform.

One-pot synthesis and optical properties of In- and Sn-doped ZnO nanoparticles

Colloidal indium-doped zinc oxide (IZO) and tin-doped zinc oxide (ZTO) nanoparticles were successfully prepared in organic solution, with metal acetylacetonate as the precursor and oleylamine as the solvent. The crystal and optical properties were characterized by X-ray diffraction, UV−visible spectrophotometry, and fluorescence spectroscopy, respectively; the surface and structure morphologies were observed by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The XRD patterns of the IZO and ZTO nanoparticles all exhibited similar diffraction peaks consistent with the standard XRD pattern of ZnO, although the diffraction peaks of the IZO and ZTO nanoparticles were slightly shifted with increasing dopant concentration. With increasing dopant concentration, the fluorescent emission peaks of the IZO nanoparticles exhibited an obvious red shift because of the difference in atomic radii of indium and zinc, whereas those of the ZTO nanoparticles exhibited almost no shift because of the similarity in atomic radii of tin and zinc. Furthermore, the sizes of the IZO and ZTO nanoparticles distributed in the ranges 20–40 and 20–25 nm, respectively, which is attributed to the difference in ionic radii of indium and tin. © 2017, University of Science and Technology Beijing and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

二维金属亚波长孔阵列的强透射特性研究进展

光通过二维金属亚波长孔(孔的直径不超过入射光波长的一半)阵列(TDMSHA)时,由于入射光与金属表面自由电子的电荷密度波发生共振耦合作用,会在特定的波长内表现出窄带透射增强。TDMSHA对光具有的透射增强与滤波特性在纳米光学、光电子、化学传感和生物物理上都有着十分重要的潜在应用。文中回顾了该特性的研究历史,详细地阐述了其发生的物理机理,对近十年来该特性在机理、材料、结构等方面的研究进展作了总结,对其前沿研究热点和应用前景分别进行了分析与展望。

微型腔单一亚波长金属狭缝的光波透射

利用时域有限差分法模拟了厚金属层上单一亚波长狭缝内壁刻有一微型腔结构光波传输,结果发现在特定波长发生异常的增强透射。结合透射峰值对应波长近场分布,利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释,认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模,可以形成透射峰;在腔内形成不同的腔模也可以形成透射模。

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。

基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计

金属表面等离子体激元所具有的近场增强、表面受限、短波长等特性为亚波长尺度的金属结构中光场局域化提供了可能性。利用它可以实现纳米级别、亚波长尺度内的高质量滤波。本文建立在表面等离子体理论的基础上,设计出一种方形腔结构,编写程序利用matlab和时域有限差分法模拟,并通过改变结构的宽度、高度和耦合长度等参数,分析光波通过该金属结构后的透射性质,结合振幅分布,总结了其在滤波器中的应用。

表面微纳结构对光的透射性能影响分析

针对传统光学元件增透的方法中存在物理、化学性质的限制而导致热失配、稳定性不足等问题,提出了对光学表面直接加工圆球和圆锥形两种微纳结构的增透方式;构建了两种微结构模型并以0.38~0.9μm的入射光在不同入射角的条件下对二者进行数值仿真;分析了两种模型随波长与入射角变化的反射率、透射率和电场的变化情况,并对两种实验元件进行实验测试;结合两种微纳结构的仿真和实验数据结果进行对比,获得了两种微纳结构对光透射性能的影响情况。结果表明:入射光波长由小增大时,光学元件透射率增大,并随着波长继续增大透射率逐渐趋于稳定。可为表面微纳结构对光透射性能的影响研究,以及对微纳光学器件的优化设计、制造提供参考。

基于表面等离激元的偏振态控制光开关

利用四个Au纳米棒组成的类矩形纳米棒四聚体结构设计了一种基于偏振态控制的光开关,并采用有限元法研究了该结构对入射光偏振态的响应特性.研究发现,该结构的透射光谱对入射光的偏振方向具有很强的依赖性,当入射光的偏振角度变化π/2时,其特征峰的开关比分别能达到27.81dB和21.65dB.分析表明,该结构的开关效应主要由不同偏振态下所导致的水平双纳米棒和竖直双纳米棒之间的近场耦合强度不同而实现,该结构透射系数与偏振角度的关系服从Malus law.此外,通过改变类矩形纳米棒阵列结构参数,研究了结构参数对其光开关响应特性的影响.在此基础上,通过改变阵列的周期参数,研究了入射光水平偏振和垂直偏振下周期参数对单元结构透射光谱的影响.该研究结果能够为可调谐双波长偏振光开关的设计提供理论依据.

光学异常透射研究进展

光学异常透射(extraordinary optical transmission,EOT)现象于1998年首次报道,表现为当光通过亚波长金属孔阵列时,得到的透射率在特定波长位置会比经典的小孔透射理论预言的数值高若干个数量级。该现象首次显示了金属亚波长结构中表面波引起的异常光学效应,是表面等离激元光学(plasmonics)进入活跃发展期的一个标志性事件。本文将从产生机理和相关器件应用两方面,对EOT的研究进展进行简要阐述。首先介绍EOT产生机理的宏观Bloch模式解释和微观表面波解释,以及这两种解释的最终统一;然后介绍EOT在传感、纳米偏光器、滤波、光开关和分子光谱增强等领域的应用;最后是对EOT相关研究的展望。

周期性亚波长金属孔阵列的单元结构对称性对其增强光透射特性的影响

采用三维时域有限差分方法,对比研究了石英基底上周期性亚波长圆形、纽扣形、半圆形和太极形四种具有不同对称性的孔阵列微结构金属膜的增强光透射特性,并分别探讨了阵列周期、小孔尺寸对这四种阵列结构透射特性的影响.结果表明增强光透射特性对单元结构对称性具有很强的依赖性:在超短高斯光脉冲激励下,随着单元结构对称性的降低,归一化透过率逐渐增大,红外波段的透射峰发生大量红移,且其与可见光波段的透射峰之间的距离逐渐增大,在对称性破缺的太极形孔阵列中两峰间距最大,可达1 300nm左右.表面等离激元模式与局域表面等离子体共振模式在增强光透射现象中起着重要的作用.在可见光波段,表面等离激元模式是这四种阵列结构的光透射增强的主导性因素;在红外波段,局域表面等离子体共振模式对单元结构对称性较差孔阵列结构的增强光透射特性有着显著影响.

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.

金属复合结构的反常透射增强效应的数值分析(英文)

利用全矢量的三维时域有限差分法,分析了一种金属银复合结构的反常透射增强效应.该结构是在一层打有六角排列的圆孔阵列的金属银层的上方放置一层六角排列的银圆环阵列构成.与普通的单层银打孔阵列相比,该结构明显具有更高的透射峰值和更窄的透射带宽.系统分析了结构的场强分布、坡印廷矢量能流分布图、透射峰的频率色散关系,结果表明该复合结构激发的更强的独特的表面等离激元模式主导了整个透射过程.

窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波研究

提出了一种窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波器的设计,其工作原理是利用窄光栅刻槽取得低透射背景,再利用导模共振与表面等离子激元共振的混合产生峰值透射,进而实现良好的窄带透射滤波效应。研究发现,利用多模共振与表面等离子激元共振的混合模式,通过增加波导厚度即可实现性能良好的双通道透射滤波,在波长1 412和1 653nm处,峰值透射率分别为72.1%和63.6%。进一步分析表明,由于长波处磁场能量较多地局域在金属光栅层,峰值位置和峰值透射率受光栅深度变化影响显著;而短波处磁场能量较多地局域在波导层中,因此短波处峰值漂移对波导层厚度变化更为敏感。

内嵌凹槽对金属亚波长狭缝透射特性的影响

研究了在特定入射波长852nm下内嵌凹槽结构对金属亚波长透射特性的影响.结果表明,内嵌凹槽结构的金属狭缝呈现透射增强或减弱的现象主要取决于凹槽的几何参数和位置.在凹槽和狭缝处会激发出SPPs,激发出的SPPs与入射波相互作用.同时,狭缝和凹槽都会形成谐振腔.凹槽的几何参数和位置的变化会影响SPPs的相位和SPPs与入射光的耦合,且随着谐振腔中共振模式的改变,透射谱呈现出不同程度的增强或减弱现象.研究结果有助于提高亚波长金属结构的透射率,同时有助于进一步探索SPPs的作用机制和狭缝结构的透射增强机理.

新型SPP波导的设计与计算机分析

目前SPP(表面等离子激元)技术应用面临的主要困难依然是SPP传播中的高损耗问题,SPP波导亚波长约束与传播距离的矛盾和SPP传播中的强烈衰减是当前表面等离子研究的关键问题。文章采用非对称介质波导结构设计了一种加载玻璃的SPP传播优化器件,应用的SPP激发模型与Kretschmann结构类似,实现了无需牺牲波导亚波长尺寸来提高SPP传播距离。FDTD(有限差分时域)方法分析结果表明:改进的波导结构能够显著增加SPP传播距离,提高电场强度,SPP传播距离提高了近20倍。对比不同厚度的薄膜层可以看出,薄膜最薄时,局域化效果最好;改进的结构显著增加了SPP耦合效果。这种加载玻璃的SPP传播优化器件为SPP在新型光子器件、宽带通信系统、微小光子回路和光电子集成等方面的应用提供了关键器件。

表面等离子体无掩膜干涉光刻系统的数值分析(英文)

表面等离子体激元具有近场增强效应,可以代替光子作为曝光源形成纳米级特征尺寸的图像.本文数值分析了棱镜辅助表面等离子体干涉系统的参量空间,并给出了计算原理和方法.结果表明,适当地选择高折射率棱镜、低银层厚度、入射波长和光刻胶折射率,可以获得高曝光度、高对比度的干涉图像.入射波长为431nm时,选择40nm厚的银层,曝光深度可达200nm,条纹周期为110nm.数值分析结果为实验的安排提供了理论支持.

铌酸锂微纳米结构的制备与分析

为实现铌酸锂光学器件的高效集成,在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而,目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此,本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术,研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明:当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时,铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构,并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大;在可见光波段,铌酸锂表面纳米结构越高,增透效果就越明显;当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时,铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构,此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%,相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。

亚波长圆环形分解复用器谐振模分离研究

设计了一种亚波长圆环形三通道金属-介质-金属(MIM)波导分解复用器。利用时域有限差分(FDTD)法,在可见光到近红外频段研究了该结构的电磁传输特性,发现满足谐振条件的电磁波可以在圆环中发生多级谐振现象。通过优化出口通道在圆环上的位置,成功实现了圆环二、三、四级谐振模式的分离功能。此外,圆环的谐振波长可以通过设置圆环的半径进行调制。该微结构对光波具有束缚与传输功能,解决了光信号谐振模式分离传输问题,在光集成与通信等方面有较好的应用前景。

金属银膜复合亚波长矩形孔阵列的增强透射

金属纳米结构由于表面等离激元(Surface Plasmons, SPs)的激发,能够将自由空间的光辐射能量有效耦合到高度受限的表面模式,从而在金属表面纳米尺度范围内形成极大增强的局域场,对宽频带光的收集与激发具有重要意义.为实现金属纳米结构的宽频带高透射率,本文设计了一种复合矩形孔洞式金属微纳结构,并应用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)研究了该结构的透射特性.结果表明,与单孔洞阵列相比,该复合孔洞式结构具有光场增强及可调节性等诸多优势,且在透射光谱中可产生多个透射峰.矩形孔洞长度与宽度是影响光透射的主要因素:随着矩形孔洞宽度b的增大,该结构的最大透射率由中心波长526 nm对应的79.7%增大到中心波长为611 nm时对应的88.3%,透射带宽与透射率均有所提高;而矩形孔长度a的变化则会产生奇特的多峰值现象,透射率最高达到93%,透射峰的半高宽最大为354 nm.此外,本文还讨论了中心方孔的边长对该结构阵列透射特性的影响.该研究结果对增强光学透射理论研究的进展以及在新型光学传感器、滤波器、光学透明电极等领域的应用发展有一定的指导意义及应用价值.

金属亚波长波导阵列的聚焦和分束

由于光波在不同长度的波导中传输产生的相位延迟不同,特定的波导阵列可以对光波波阵面进行调制。理论推导发现三角形波导阵列可以实现聚焦,得出凸三角形波导阵列聚焦高度和焦深。利用时域有限差分法模拟了凸三角形波导阵列对光波的聚焦情况,通过比较发现模拟和理论推导结果非常吻合。同时模拟发现凹三角形波导阵列结构可以实现光的分束。